再循环阀小流量管线无法正常切换分析与处理

前言

某核电厂现场调试期间上充泵出口再循环阀在流量下降过程中，无法按照正常设计在流量降低至 9m3/h 时切换至小流量管线，而是在流量降低到 6.26m3/h 后小流量管线才开启。上充泵是核电站的重要设备，若是不能在规定流量范围内切换至小流量管线运行，将会影响上充泵正常使用寿命。

1. 结构原理

安装在上充泵出口的再循环阀厂家为德国施罗德（Schroeder），主阀通径DN100，法兰连接，主要由阀瓣、复位弹簧与小流量管线旁路阀组成；小流量管线通径DN50，拥有单独的启闭部件与节流部件。如图 1。

正常运行时主阀开启，小流量管线关闭，上充泵的正常流量约为 40m3/h ，通往一回路与主泵轴封。在上充管线流量小于 9m3/h 的情况下，再循环阀通过弹簧力关闭，并且主阀的阀瓣通过杠杆连续地将运动传递到小流量管线。小流量管线旁路阀开启后，流体回流至容控箱，从而提供了上充泵所需最小流量。小流量管线以调节方式控制旁路流量，并以多级节流的方式将压力降低到旁路

2. 故障描述

现场对两台上充泵进行调试，发现其中一台泵出口再循环阀无法按照正常设计在流量（小于 9m3/h 时）切换至小流量管线，而是降低到 6.26m3/h 时小流量管线才开启，不满足试验要求。另外一台上充泵出口再循环阀在 9.73m3/h 开启，满足试验要求。

3. 故障分析与处理

根据试验现象与经验反馈分析，怀疑阀门内部可能有异物或者零部件损伤等原因导致阀门开关卡涩。

（一）原因分析：

1) 异物导致阀门卡涩:主阀瓣外径 145mm ，阀体腔室内径 147mm ，主阀开启后，介质需通过宽度 1mm 的圆环形流道，若有异物，则容易被堵塞。

2) 主阀瓣复位弹簧选型错误：其他电站同厂家的类似再循环阀发生过阀门主阀瓣无法回座，小流量管线无法开启的问题，并最终确认是阀门弹簧选型错误导致，更换弹簧后问题得到解决。因此主阀复位弹簧可能选型错误。

3) 主阀瓣导向面损伤：主阀瓣通过上、下导向面固定，通过介质推力与复位弹簧控制阀瓣的轴向运动；导向面的拉伤磨损会直接影响阀瓣的动作。

4) 旁路阀启闭件损伤：旁路阀启闭部件接触面划伤，会导致旁路阀开关卡涩。而旁路阀阀瓣通过连杆直接与主阀瓣相连。

5) 旁路阀阀瓣连杆弯曲变形：主阀瓣通过上、下导向面在管道轴向上是固定的，但是其在圆周方向上并无导向槽，主阀瓣在介质冲击下会在圆周方向上转动，而旁路阀阀瓣连杆是唯一限制其转动的限位部件。

（二）故障处理：

1) 与设备厂家澄清故障原因：厂家答复问题可能是由于试验中流量降低速率慢导致阀门无法按照流量 9m3/h 准确切换到小流量旁路。

 现场再次进行试验验证，调整上充泵出口流量调节阀关闭速度，结果依然失败，甚至流量到达 0 后小流量管线依然未能开启。

2) 将阀门拆卸，对此台再循环阀进行解体检查。

$$ 解体检查后并未发现异物；

$$ 测量各部件尺寸，主阀瓣导向面与旁路阀启闭件等，各部件状况良好

3) 通过测量、计算，确认主阀瓣复位弹簧选型是否有误。

$$ 使用弹簧测力器测量主阀瓣复位弹簧的劲度系数 K；

 主阀瓣处的流道狭窄，此处有明显的节流作用，流体经过时的阻力大，压降大。

流体流量与局部阻力之间的关系计算：

① 流量与流速和管道界面截的关系：

Q=A^*υ

其中，A 为管道界面截，单位 m² ； υ 为流速，单位 m/s_⨀ 。

② 局部阻力损失常用表达公式：

其中，

P 为局部阻力损失，单位Pa；

为局部阻力系数，与流道结构与流动状态有关；ρ 为流体密度，单位 kg/m3 ；

为流速，单位 m/s。

③ 将流量公式代入局部阻力损失公式，得到：

从公式可以看出，局部阻力损失 ΔP 与流量的平方成正比关系。当阀瓣处的压差逐渐变小，直至阀瓣受到的流体作用力与复位弹簧的弹力平衡时，阀瓣开始回座关闭，带动旁路阀开启，此时：

其中，S 为主阀瓣的受压面积，k 为弹簧劲度系数，为阀瓣行程。

最后，对比弹簧劲度系数的实测值 K 与计算值 k，两者数值存在较大差距。同时将弹簧劲度系数测量值与流量试验结果反馈设备厂家确认，厂家确认了其弹簧选型错误，复位弹簧劲度系数偏小。随后阀门厂家供应了新的阀瓣复位弹簧。重新试验验证后结果满意。

4. 结语

本文对离心泵出口一体式自动再循环阀未能在规定流量范围内切换至小流量管线的故障原因进行了分析，在采用常规解体维修方案未能查明故障原因的情况下，通过对比复位弹簧劲度系数的实测值与计算值，最终确认了故障原因为复位弹簧选型错误。本文提及的故障原因与排查方法分别为此类阀门在设计方面提供了参考案例，在维修方面提供了新思路。

参考文献：

CHEMICAL AND VOLUME CONTROL SYSTEM CHAPTER 2: SYSTEMOPERATION .2022