先导式安全阀活塞密封圈国产化研制_马少亮.pdf

液压气动与密封年第期计，在使用过程中总会发生不可预测的故障。需要结合实际应用情况综合分析才能设计或选用较为合理的柱塞泵。参考文献 翟培袢 斜盘式轴向柱塞泵设计 北京：煤炭工业出版社，何存兴 液压元件 北京：机械工业出版社，田振东 排量轴向柱塞泵吸排油空化现象研究太原：太原理工大学，李流远 油液含气量对液压系统的影响 液压与气动，（）：孙泽刚 斜盘式轴向柱塞泵缸体及配流盘抗空化研究 成都：西南交通大学，刘晓红 轴向柱塞泵配流盘上阻尼孔对其空蚀特性的影响 机床与液压，（）：引用本文：孔青松，张红涛，焦文华 柱塞泵配流盘磨损分析及优化 液压气动与密封，（）：o，oo，o o o o o o ，（）：先导式安全阀活塞密封圈国产化研制马少亮，卢 祺，赵冬冬，励行根，励 勇，励 洁（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐；宁波天生密封件有限公司，浙江 慈溪）摘 要：稳压器安全阀为一回路系统的超压保护设备，对于保护压力边界完整，防止系统超压具有重要的作用。每次解体检修均需要更换密封件，其备件全部为进口，存在断供的风险，卡脖子项目，为了打破国外垄断，对其密封件进行国产化研制。活塞密封圈为研究重点，该文从设备结构以及原理分析出发，阐述了活塞密封圈既需要保证密封性，同时还需要保证较小的摩擦力。为国产化项目的试验以及验收准则提供了依据。关键词：先导式安全阀；活塞密封圈；国产化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）oo o o g，gg，gg，Yg，（o o o，；o o，）：o o oo，o o o o o o o ，o，o o o，o，o o ooo，o o o o，o o ，o o o o o o，o o o o o，o oo o：；o；oo 背景一回路边界阀门承担着保持一回路压力边界完整收稿日期：作者简介：马少亮（），男，陕西宝鸡人，高级工程师 高级技师，学士，现主要从事核电阀门维修、管理等工作。性的重要职责，除承压部件外密封件也承担着同一的作用，因此对其密封件要求极高。目前国内压水堆核电站，密封件原设计采用国外进口产品，在阀门后期运营过程中，其密封圈、金属垫、密封环等备品备件的采购均为单一来源，为了防止断供、限供等潜在风险，减轻国外制约和实现一回路阀门的具有完全自主知识产 o权的关键密封件，中核运行为此开设了“一回路边界阀门密封件研制项目”。通过开展一回路边界阀门密封件国产化研究，研制出具有完全自主知识产权的核电厂一回路压力边界关键密封件及配套工艺，自主掌握关键核心技术，打破国外企业对我国的技术封锁或垄断，解决卡脖子问题，增强我国压水堆核电机组一回路压力边界关键密封件的自主供给保障能力，进一步提升核电厂反应堆的安全、稳定和经济运行。先导式安全阀结构一种用在核电厂的稳压器安全阀为先导式安全阀，每台机组有三组安全阀，每组安全阀包括保护阀与隔离阀，保护阀在上游，隔离阀在下游。每台阀门包括阀体与先导控制柜。2.1 阀体结构与原理阀体结构主要包括阀头、活塞、阀杆、阀座、阀芯等部件，阀门的开启与关闭，主要依靠活塞上的水压力与阀芯处的水压力之差，活塞、阀芯、阀杆的重力与水压相比较小，故在受力分析忽略。其结构如图 所示。图 先导式安全阀阀体结构在系统正常运行，阀头腔室与阀芯相通，其压力均为系统，根据力学公式力 ，则阀头腔室的力为 ，阀芯前系统产生的力为 ，故阀芯所受的压力差值为：（）由于活塞的受力面积 大于阀芯受力面积，故在阀门开启之前，阀门密封力 随着系统压力的增大而增大，因此系统压力越高，阀门密封性越好，此特性区别与一般的安全阀。当系统压力达到开启压力时，阀头压力释放，阀芯依靠系统压力开启，释放系统压力。当系统压力释放至关闭压力时，阀头与系统相通，依靠压力差关闭。2.2 控制柜结构与原理控制柜主要包括过滤器组件、整定组件、控制组件、电磁阀等组成，控制柜与外部连接有三根管线，与一回路系统相连的管线为脉冲管线，传递系统压力。控制柜与阀头连接的管线为控制管线。图 中，、部件为两路分配器，上部为，下部为，出口的管线用于排水为排泄管线。忽略过滤器等组件，对控制进行简化，控制柜与阀体的连接如图 所示。图 控制柜与阀头连接图系统介质压力通过脉冲管线传递至控制柜活塞组件，压缩控制柜弹簧、克服活塞摩擦力，推动弹簧杆、控制杆移动，从而带动控制块去打开与关闭，从而控制与阀头腔室的连通与关闭。其中控制柜活塞组件由活塞、两个活塞密封、间隔环、限制环以及活塞套组成，具体示意图如图 所示。图 活塞组件示意图其中活塞密封的结构为：外部 形非金属密封与内部弹簧组成，形密封内部承受介质压力压缩活塞密封，外部与活塞套接触进行密封。活塞密封和活塞套之间的摩擦力会影响控制柜的动作，进而影响阀门的开关。2.3 控制柜动作过程控制柜主要为控制、的开启与关闭，故系统、控制柜的状态有 种，分别为 开启、关闭；关闭，关闭；关闭，开启。随着系统压力升高与降低，控制柜在此几种状态中转变，阀门也在开启与关闭随之变化。液压气动与密封年第期图 活塞密封圈图图 控制柜动作过程 阀门压力定值整定为了确保阀门正常的开启与关闭，需要在每个燃料循环周期后，对阀门进行压力整定，主要通过 和 开关的压力值确认。阀体部分只是密封、开启与关闭的作用，控制阀门开启与关闭主要为控制柜。用试验台模拟系统压力，将脉冲管线隔离线，用试验台高压管线替代，可以实现压力的缓慢升高与降低。图 试验模拟图在图 中曲线 突降时，此时曲线 对应的数值为阀门的开启压力。图形中曲线 与曲线 汇集点（曲线 处），此时曲线 突变前的数值为阀门的关闭压力。阀门压力定值影响因素为了更为准确的调整，对控制柜整定组件、控制组件进行模型转换，进行受力分析。图 试验结果图在控制柜中，单独、开启力与系统压力、弹簧力相比非常小，对压力整定的结果影响较小，故在模型建立过程中忽略。同理，活塞、弹簧、弹簧杆、控制杆的质量较轻，故其重力也可忽略。故影响压力定值只有系统压力、弹簧力以及活塞部分的摩擦力。考虑到活塞的受力面积固定，为了便于分析，将活塞面积固定为单位面积。控制柜的简化模型如图 所示。图 控制示意图在阀门开启过程中，活塞向下移动，故此时摩擦力方向向上，故开启状态下的受力如图 所示，其中 为阀门开启时系统压力，为弹簧压力，为摩擦力。图 开启受力图根据受力平衡：（）阀门在关闭过程中，活塞向上移动，故此过程中，摩擦力方向向下，则关闭状态下的受力如图 所示，其中 阀门关闭时系统压力，为弹簧压力，为摩擦力。o图 关闭受力图根据受力平衡：（）由于开启与关闭时压力相差不多，可以认为密封与活塞之间的摩擦力保持不变，即记为 。其中 k ，k ，k 为组合弹簧的弹性系数，与弹簧的特性有关，对于特定设备 k 保持不变，为 完全开启的弹簧压缩量，为 完全开启时的弹簧压缩量。活塞开始或者停止动作时，弹簧压缩量为，由于阀门关闭时，刚好为活塞停止动作，则 。完全开启至 完全开启，控制块的移动距离为，则 。将以上变化量分别代入方程式（）、式（）得到：k（）（）k （）（k（）（k ）k （）由以上方程得到，开启与关闭压力与弹簧的初始值、摩擦力有关系。弹簧初始值增大时，开启与关闭压力均增大，反之亦然，但开启与关闭压力值之差与弹簧的初始值无关，与活塞摩擦力和控制块移动距离成正相关。结构上 最大调整量为 ，对应压力 ，若已经超出此范围则说明活塞摩擦力过大，需要更换活塞密封。国产化备件的难度在于小尺寸、高压力下既要保证活塞的密封，同时还需要产生的摩擦力小。国产化过程按照国产化实施方案，主要有密封材料的选型，密封件的结构设计与制造，检验与加工工艺，试验方法和试验工装等方面的内容。材质选型与样件加工通过材质研究确定备件的原始材质，根据国内实际情况，选择类似材料进行替代。根据原有备件以及相互配合的活塞、活塞套等部件参数，设计国产化备件的结构，采用外部 形密封和内部弹簧保持的特有结构，具体结构如图 所示。图 活塞密封圈结构图优化工艺，采用加工中心进行车削加工的方式制造外部 形密封，并进行修边处理，同时加工弹簧并成形，后续组装为样件。使用样件在活塞以及活塞套上进行试装，结构尺寸满足要求，同时手动拉动活塞灵活。6.1 试验项目以及实施根据第四章节的分析，活塞密封圈需要满足密封性，同时保证较小的摩擦力。故需要对样件进行密封性试验，由于 形密封在介质压力下动作时会对活塞套产生摩擦力，且随着介质压力变大，形密封对活塞套的压力也越大，摩擦力也就越大。为了验证活塞密封的摩擦性能，首先需要在无压力情况下，试验初始的摩擦性能，试验合格后，进行有介质压力的动作试验，验证带压情况下的摩擦性能，进一步反映活塞密封的压缩性能。）密封性试验参考控制柜设备的结构，为了结果更为贴近实际，采用新的活塞和活塞套备件进行试验，加工相应的工装固定活塞和活塞套组件，引入压力源并与活塞套进行有效的密封。具体结构图如图 所示。图 活塞密封圈密封性试验示意图试验压力根据设备实际运行工况压力 、先导式安全阀最高工作压力 以及最高工作压力的 倍（）进行试验。试验具体步骤为：在进行水压试验时泛塞圈安装在试验工装中串联连接试验工装、进水阀门、排气阀门、压力表以及气驱液体增压泵。通过气驱液体增压泵将试验工装内注满水，并增压水压试验压力按照液压气动与密封年第期.、步骤进行升压；压力升至最高时保压 ，观察密封部位泄漏情况及压力表的压降情况。部分试验设备以及过程如图 所示。图 活塞密封圈密封性试验图试验记录最高压力的试验情况，对原有备件和国产化样件的进行试验对比，试验结果见表 所示。表 活塞密封圈密封性结果试验件试验温度 试验压力 保压时间 泄漏情况国产泛塞圈 无进口泛塞圈 无国产泛塞圈 无进口泛塞圈 无从试验结果分析，进口备件与国产化在相同的试验条件下，高压力下，均无渗漏情况，说明国产化样件的密封试验合格，满足密封性要求。）摩擦力试验工装采用控制柜设备的活塞原有备件，参考其结构进行设计试验工作，验证在无介质压力下，活塞密封圈的摩擦性能。活塞密封圈圈进行摩擦力试验，试验机由阀杆、载荷传感器、驱动装置等组成。该试验机能完成泛塞圈摩擦力的测试，具体试验装置如图 所示。图 活塞密封圈摩擦力试验示意图试验时，将活塞密封圈装入试验工装中，打开设备控制面板，设置循环次数 次，记录阀杆运动过程中的摩擦力。由于对于摩擦力无相应的标准，故进行对比试验。具体试验结果见表、表 所示。表 活塞密封圈国产化样件摩擦力试验数据表试验前摩擦力读数 循环次数进摩擦力读数 出摩擦力读数 循环次数进摩擦力读数 出摩擦力读数 表 活塞密封圈进口备件摩擦力试验数据表试验前摩擦力读数 循环次数进摩擦力读数 出摩擦力读数 循环次数进摩擦力读数 出摩擦力读数 试验结果分析，进口活塞密封圈进摩擦力（向下动作）和出摩擦力（向上动作），其摩擦力非常稳定，没有发生变化。国产化样件进摩擦力除了第一次外也无变化，但摩擦力数值大于进口备件。出摩擦力在前面 次较大，后续 次几乎无变化，其摩擦力数值也略大于进口备件。说明国产化样件在无介质摩擦性能方面与进口备件基本一致，但进口备件的摩擦性能更优于国产化样件，故需要验证在有介质压力情况下的摩擦力性能。）在线整定试验样件的性能最终以与现场工况一致为准，故进行 o现场的在线整定试验。由于先导式安全阀的检修复杂、时间长，为了减小大修工期压力，此设备均采用更换循环备件的方式实施，在大修前翻新上次大修更换的整机备件，大修时直接更换。翻新后需要进行试验验证，故活塞密封圈国产化样件在线验证，可以在循环备件上实施。试验国产与压力整定章节内容一致，其试验原理图如图 所示。图 活塞密封圈在线整定试验示意图控制柜为组装状态，故先进行验证原有备件的在线整定试验，完成后更换国产化样件进行验证。由于初始弹力的值对于压力定值有较大影响，故在更换过程中，需要保证初始弹簧力不变，即弹簧调整螺母的位置不能变化，故采用在线更换活塞密封圈的方式实施，若采用解体方式实施，弹簧调整螺母的位置肯定会发生变化，影响试验结果。在线更换活塞密封圈，在弹簧杆下部压缩弹簧，活塞不受力时进行更换，完成后恢复压缩。试验时首先需要再次验证密封性，确保在定值压力也不会发生渗漏，影响定值的结果。各进行三次，试验结果见表。试验前的保压密封性试验均合格，无目视渗漏情况。从试验结果分析，国产化样件的开启与关闭压力值之差 更小，由式（）说明差值 只与控制杆行程 和摩擦力有关，控制杆行程 未发生变化，说明在有介质压力情况下，国产化样件产生的摩擦更小，摩擦性能更加优良。结合摩擦力试验和在线整定试验，国产化样件初始摩擦力大，在线整定时的摩擦力小，由于活塞密封圈与活塞的表面情况未发生变化，则其摩擦系数不变，则说明介质通过活塞密封圈作用在活塞套上的压力较小，活塞密封圈的强度稍高。）高温高压试验从现场设备的原理和工况分析，控制柜活塞密封圈处于环境温度工作状态下，一般为常温，故密封性试验、摩擦力试验等均在常温下实施。对于核电厂安全需要考虑事故工况，控制柜在事故工况下，多次动作后，脉冲管线（引压）的常温介质使用完毕，后续稳压器顶部蒸汽会进入控制柜，由于脉冲管线较长，按照温度减低 进行考虑，则控制柜需要承受 的影响，在此种工况下，只需要验证密封性即可。故密封性试验工装至于 环境与介质下，压力按照整定值最高（）的向上圆整的 进行试验。试验原理图如图 所示。表 活塞密封圈在线整定试验数据表进口泛塞圈整定值国产化泛塞圈整定值第一次开启：关闭：差值 第二次开启：关闭：差值 第三次开启：关闭：差值 图 活塞密封圈高温高压试验示意图试验保压了 ，无渗漏，密封性试验合格。6.2 试验总结国产化样件的密封试验合格。现场设备上活塞密封圈一直处于一回路介质压力状态下，故按照现场实际需求，国产化样件性能更优。故此活塞密封圈的国产化，经过试验验证合格，研制成功。6.3 项目总结先导式安全阀作为核电厂一回路压力边界设备承担着保持一回路主冷却剂密封性的重要职责，对其密封件要求极高。电厂运行期间其密封结构的可靠性直接影响着反应堆安全运行。目前设备检修用的密封件（下转第 页）液压气动与密封年第期相对运动部分。选择内外转子的材料时，应该存在一定的硬度差。偏心壳体不做运动，只是外转子在内部进行转动，可以选择相对耐磨的材料。配流盘只是分开吸油和排油腔，不参与运动，可以选择质量且易加工的材料。结语本文对多级摆线泵的设计、工作原理和关键参数的选择进行了详细的介绍。多回路集成在同一泵体上，可以减少泵的使用数量和安装空间，降低成本，为多性能泵的设计提供了参考。参考文献 李炳辉 摆线泵的设计 北京：第五届中国航空学会青年科技论坛，毛华永，李国祥，胡云萍，等 摆线转子泵进、排油腔的设计计算 山东大学学报（工学版），（）：康理茂，许玲滨 基于 的摆线齿轮参数化设计 现代机械，（）：刘昶，石万凯，韩振华，等 基于插齿刀具运动控制的复合摆线齿轮加工方法 华南理工大学学报（自然科学版），（）：俞武勇，季林红 含间隙机构运动副的动力学模型 机械科学与技术，（）：杜坤 齿侧间隙对渐开线齿轮啮合冲击的影响分析太原：太原理工大学，李玉龙，孙付春 中高压外啮合齿轮泵端面间隙的理论计算 排灌机械工程学报，（）：薛永宁 考虑啮合间隙的摆线泵动力学研究 天津：天津科技大学，引用本文：王亚飞，赵亮，刘伟，等 多级内啮合摆线泵结构设计和优化 液压气动与密封，（）：，o o o ，（）：（上接第 页）均采用进口，其采购存在着不确定性。国产化研究可以解决卡脖子问题。本文从国产化的背景出发，阐述了国产化项目的意义。介绍了设备的结构与原理，为国产化研制试验提供了理论依据，说明活塞密封圈的摩擦力对阀门定值有较大影响。故活塞密封圈试验主要考虑密封性能和摩擦力性能。对活塞密封圈的结构进行分析，设计国产化样件的结构，并优化工艺，成功加工了样件。根据设备原理与工况，设计和加工了相应的试验工装，并进行试验。试验结果表明，国产化样件的密封性能良好，与原有备件基本一致。无介质压力下的摩擦力相对于原有备件较大，但在线整定试验，有介质压力情况下的摩擦力较小，有较为优良的摩擦力性能，同时密封性也满足要求。说明国产化样件的研制成功。国产化的活塞密封圈其采购成本降低，可降低密封件备件库存，减少核电厂的备件库存压力，减低机组运行生产成本。最为重要的是活塞密封圈国产化的成功研制填补了国内核电领域密封件技术空白，打破了国外垄断，拓宽了核级设备密封件应用范围，确保了核电机组的安全、稳定运行。参考文献 罗志远，李晓钟 核电站稳压器先导式安全阀技术综述 通用机械，（）：姜圣翰 核级先导式安全阀可靠性分析与设计研究核标准计量与质量，（）：刘强 稳压器先导式安全阀的应用及两向分配器故障判断 中国核科学技术进展报告：第六卷 北京：中国原子能出版社，马少亮 稳压器安全阀压力定值调整与超标处理，中国核科学技术进展报告：第五卷 北京：中国原子能出版社，管线阀门技术条件引用本文：马少亮，卢祺，赵冬冬，等 先导式安全阀活塞密封圈国产化研制 液压气动与密封，（）：，o，oo，oo o o ，（）：，