作者 | 武书安

摘要：

汽轮机中压蝶阀主要控制来自汽水分离再热器的蒸汽流量，并在停机后将汽水分离再热器内的余气及余压逐渐释放，对汽轮机的稳定运行至关重要。本文通过介绍某大型核电站采用的新型电液式汽轮机中压蝶阀的结构特点及工作原理，并与不同核电站基地中压蝶阀相比较，对现场汽轮机中压蝶阀的优缺点进行分析。结合中压蝶阀实际应用经验，对新型中压蝶阀进行优化设计，优化后的结构可避免中压蝶阀出现卡涩现象，确保了中压蝶阀的安全稳定运行。

关键词： 中压蝶阀；机械密封；阀门卡涩；滚动轴承

随着核电站的迅速发展，单机容量也在逐渐增大。某核电站机组的单机容量为1755 MW，是目前世界上单机容量最大的机组。其中，中压蝶阀的主要作用是控制和调节汽轮机中压缸进汽，且分别布置于中压缸左右各两列（共四列），其进汽量的大小决定了机组功率大小，如中压蝶阀出现卡涩直接影响机组功率波动，两列同时关闭则会导致汽轮机跳机。传统中压蝶阀多采用迷宫式密封结构，该结构可以将漏汽压力逐渐降低，最后由抽汽系统抽走，不会出现外漏，同时，迷宫式密封多采用盘根密封，耐高温且不会出现卡涩；但迷宫式密封结构中压蝶阀体积大，动作力矩大，不利于现场安装。新型中压蝶阀采用机械密封，无需设计专门的抽汽系统，且无蒸汽损失，可显著提高蒸汽利用率；同时，滚动轴承设计大大减小了阀门的动作力矩，为此，某核电站使用新型机械密封式中压蝶阀。但新型机械密封式中压蝶阀在实际运行中也面临着诸多挑战，如机械漏汽、轴承卡涩等问题。

2.1 中压蝶阀基本参数

某核电汽轮机中压蝶阀由法国Verdelet（万德莱）公司生产，采用电液式控制系统。为减小阀门整体尺寸、简化轴封系统、提高热效率，该公司采用了突破性设计，即选择LATTY生产的机械密封替代原迷宫式密封（常规电厂的中压进汽阀通常采用抽气式阀门），如图1所示。某核电站每台核电机组有4组中压阀门，每组包含一个截止阀和一个调节阀，布置在MSR与中压缸之间，阀门的阀瓣与阀体均由碳钢铸造。在机组甩负荷时，中压主汽阀快速关闭，以降低汽轮机超速风险。阀门的工作压力为11.18 bar，工作温度为276.4 ℃，流量为427 kg/s，全关时间为0.3 s，开启100%行程的时间为2 s。

图1   中压蝶阀外观图（1组）

2.2   中压蝶阀结构特点

中压蝶阀可以分为三部分：阀门阀体、阀门驱动机构和仪表监测及控制部分，如图2所示。该阀门的开启动力源是驱动机构内的高压抗燃油，而关闭则依靠驱动机构的弹簧力。

1.阀壳   2.阀瓣   3.阀轴   4.连接螺栓   5.轴承室   6.阀盖螺栓   7.密封垫   8.排汽口   9.隔热装置   10.轴承   11.排水口   12.加脂口   13.驱动机构   14.固定螺母   15.连接螺柱   16.曲柄   17.键   18.锁紧螺钉   19.曲柄销   20.阀位指示器

图2   中压蝶阀结构示意图

阀门阀体主要由阀瓣、阀轴、机械密封、轴承、曲柄和连接装置组成。阀瓣和阀杆通过螺栓连接，驱动端与非驱动端的阀杆上均装有机械密封，从而将蒸汽与轴承隔绝。其中，对非驱动端进行保温包裹，而在驱动端主轴上设计有键槽、凹槽，以固定曲轴及连接驱动机构。此外，机械密封外侧安装有滚动轴承，其轴承内部装有专用润滑脂，轴承外侧安装有压盖。

阀门驱动机构主要由活塞、活塞杆、弹簧、油缸和集管块组成。驱动机构活塞杆端部安装有球轴承，通过圆柱销钉与曲轴连接，将油动机活塞的位移传递给主轴。集管块与高压抗燃油系统相连接，控制抗燃油的进油和排油，从而完成油缸内的充排油，实现活塞杆组件的移动。

阀门仪表监测和控制部件主要包括：LVDT位移传感器、试验电磁阀、电液伺服阀（中压主汽阀没有）和振动压力探头等。

2.3   中压蝶阀工作原理

中压主汽阀只有开启和关闭两位控制，当保护系统安全油压建立时，安全油压力推动油动机活塞，克服操纵座弹簧力及阀门蒸汽力，此时中压主汽阀开启至全开位置，促使主蒸汽到达中压调节阀前；当安全油压力失去时，在操纵座弹簧力的作用下，中压主汽阀快速关闭至全关位置。在上述过程中，位移传感器可实时监视阀门开度，试验电磁阀可实现阀门的定期活动试验功能。

中压调节阀由比例阀、试验电磁阀、位移传感器和汽轮机电液控制系统等组成调节阀闭环控制回路，从而实现阀门开度的连续控制。当保护系统安全油压建立时，比例阀接收到控制系统的指令信号，并将其转换为油动机工作腔液压信号（流量和方向），油动机在工作腔压力、操纵座弹簧力及阀门蒸汽力的综合作用下实现调节阀开度及运动速度的控制；位移传感器将阀门开度信号反馈至汽轮机电液控制系统，以实现调节阀开度的闭环控制。当比例阀接收到关闭阶跃指令或系统安全油压力失去时，在操纵座弹簧力作用下，中压调节阀快速关闭至全关位置。在上述过程中，传感器可实时监视阀门开度及油动机工作腔压力，试验电磁阀和比例阀可实现阀门定期活动试验功能。

3.1   机械密封设计

此前，国内外的阀门均采用迷宫抽汽式密封结构，该结构多采用盘根密封，不会出现外漏现象，耐高温且不会出现卡涩，但其体积大，阀门动作力矩大。因此，将阀门的密封方式由抽汽式密封改为机械式密封，阀体设计温度为300 ℃，蒸汽温度为276.4 ℃。相比于传统轴封系统的供气、抽气密封结构，机械密封系统得到大幅简化，无需额外布置专门的抽汽系统，蒸汽利用率提高，阀门体积小，动作力矩小。但机械密封在实际的运行中无法做到对蒸汽完全密封，此现象已通过厂家试验得到了验证，即在运行一段时间后会出现微漏现象，漏汽点为动静密封面。

机械密封的泄漏现象将导致轴承室温度上升，对轴承运行极为不利。因此，在阀门轴承室上下分别开口并加装管道，确保上部管道可排出进入轴承室的蒸汽，下部管道可排出轴承室漏汽凝结的水，且下部管道连通废液收集系统。

3.2   滚动轴承升级

在最初的设计中，中压蝶阀驱动端与非驱动端轴承均采用CARB球面滚子轴承，如图3（a）所示，此型号轴承不具备阀轴定位功能。在驱动机构开关的侧向力作用下，阀轴将向非驱动端产生偏移，位移量可达2 mm，导致阀碟与非驱动端的蒸汽管道内侧发生碰磨，对阀轴两端的密封压力产生不利影响。该设计方案在机组日常运行过程中出现了阀门卡涩故障。

当阀门沿方向（1）运动时，将产生沿（2）或（3）方向的侧向力，从而改变了阀轴的定位状态。在现场运行过程中，通过对阀门非驱动端轴头突出长度进行测量发现，不同阀门的突出长度均有所差异，而且同一阀门在不同状态下的突出长度也存在偏差，突出长度的不同反映出阀轴在不同状态下产生了轴向位移，不具备轴向定位功能，如图3（b）所示。

为解决这一问题，根据现场运行经验，将驱动端的CARB轴承（C3140K/HA3C4L5DA）改为双列圆锥滚子轴承（23140 CCK/HA3C4W33），该轴承可以实现阀轴轴向定位功能，如图3（c）所示。但在机组运行一个换料周期后，经检查发现轴承依旧存在变色、发蓝现象。

(a)

(b)

(c)

(a)CARB轴承   (b)驱动机构动作示意   (c) 双列圆锥滚子轴承

图3   阀门驱动机构动作受力示意及新旧轴承简图

中压阀门最大的潜在运行风险是阀门卡涩。在更换为S1耐温等级轴承的情况下，轴承的冷态安装剩余游隙、热态运行游隙、再次冷态时的安装剩余游隙三者数值相当，并没有发生趋势性的改变；但轴承拆卸后，自由状态下剩余游隙缩小至SKF标准下限甚至小于下限，且变色过热现象是轴承处于临界点运行的表现。为确保机组的安全运行及设备可靠性，将选择更高耐温等级的S2轴承。在更换为耐温等级更高的S2轴承的情况下，从多轮换料周期运行经验可知，阀门运行状况良好，可有效解决轴承卡涩的故障。

3.3   轴承润滑脂替代

阀门设计初期选用的油脂为Barrierta L55/2的白色润滑脂，适用温度范围为-40~260 ℃；而中压阀门内部蒸汽温度为275 ℃，叠加热传导、热辐射后，轴承的实际运行温度会高于实测温度，该温度显然高于润滑脂的极限允许温度。根据现场运行经验，第一次将油脂换型为Kluberalfa_HPX_93_1202的白色高温润滑脂，适用温度范围为-20~300 ℃；但经过一个换料周期运行后发现，即使该油脂的可耐高温为300 ℃，但在复杂的环境下（高温、蒸汽、疏水）同样会出现显著的老化降解、油脂过热发黄等现象。

根据现场多次阀门运行试验进行了第二次油脂换型，选择Molykote G Rapid plus paste润滑膏，该润滑膏最高允许运行温度高达600 ℃，且价格低廉，在后续大修中二硫化钼润滑膏的适用性得到了证实，没有发现劣化、腐蚀、生锈问题，如图4所示。结合现场使用效果和维修经验，润滑膏在涂抹时会出现不均匀状态，而喷剂可以使润滑介质均匀分布，不易出现薄厚不均现象，因此将Molykote G Rapid plus paste润滑膏改为Molykote G Rapid plus spray喷剂，二者同为二硫化钼制品，但后者更有利于现场实施。在经过一个换料周期运行后，解体检查发现轴承滚子、滚道光洁，没有异常的生成物，轴承状态良好。

图4   涂抹润滑膏运行后的轴承

3.4   加装隔热屏

根据现场运行经验和相关试验可知，采用机械密封无法完全密封高温高压蒸汽，在日常运行过程中，必然出现高温高压蒸汽通过机械密封泄漏至轴承室，泄漏蒸汽对轴承及轴承室进行加热，使其温度大幅提升的现象，对轴承稳定运行产生重大影响。因此，在阀门两端的机械密封与轴承之间加装隔热屏，使蒸汽无法进入轴承室，有效降低了轴承室温度，确保轴承在合理的温度范围内工作；此外，在机械密封与隔热板之间加装抽汽管道，将机械密封的漏汽及时排出，同样起到降低轴承室温度的效果。根据运行试验数据，加装隔热板可使轴承室温度降低约30 ℃，对轴承室的降温效果显著。

3.5   阀门散热

为降低轴承和油脂运行时的温度，在阀门非驱动端汽室安装散热装置，将原阀门驱动端及非驱动端汽室的保温全部拆除，加强对流散热；同时，为防止保温拆除带来的人员作业安全风险，汽室安装有栅格防护罩。

在阀门的驱动端，优化前的驱动机构框架起到了散热装置的作用，故没有额外安装散热肋板。但事实上，驱动端较长的阀轴及油动机框架的散热效果明显优于非驱动端加装的散热装置，这是由于驱动端散热面积大，设备表面温度低于非驱动端。

4.1   与传统抽汽式密封阀门对比

与不同核电基地相比，采用类似结构的中压蝶阀均为德国ADAMS(阿达姆斯)公司生产的单轴电液式蝶阀，阀门型号为NSK Dn1200/PN25。如图5所示，该型号阀门阀体部分由免润滑滑动轴承、迷宫式抽汽密封、阀瓣、联轴器和阀盖等组成，驱动机构同样采用液压驱动，螺旋弹簧关闭，曲柄连接。与其他核电基地的中压蝶阀相比，两种阀门均属于蝶阀，且阀门驱动方式相同，但两种阀门在结构上存在差异。

（1）NSK Dn1200/PN25型号阀门只有一个阀轴，阀瓣固定在阀轴上；而机械密封的中压蝶阀驱动端和非驱动端各有一个阀轴，与阀瓣采用螺栓连接。

（2）NSK Dn1200/PN25型号阀门轴承采用滑动轴承，驱动端和非驱动端各安装一个，位于驱动端迷宫式抽汽密封内侧，滑动轴承无任何润滑介质，与高温高压蒸汽直接接触；而机械密封的中压蝶阀则采用滚动轴承，驱动端和非驱动端各安装一个，位于机械密封外侧，需要定期喷涂Molykote G Rapid plus spray喷剂作为润滑剂。

（3）NSK Dn1200/PN25型号阀门只有驱动端安装有迷宫式抽汽密封，非驱动端未安装密封，技术比较成熟；而机械密封的中压蝶阀两端均安装了机械密封。

（4）NSK Dn1200/PN25型号阀门的非驱动端安装有止推环，其作为机组运行时阀轴轴向热膨胀移动的死点，只允许阀门运行时向驱动端自由膨胀，可有效对阀门进行轴向定位；而机械密封的中压蝶阀没有止推环，驱动端安装有带止退作用的双列滚子轴承作为阀门热态下膨胀的死点。

图5   传统抽汽式密封阀门

4.2   新旧型号阀门优缺点分析

通过与不同核电站基地传统抽汽式密封阀门的结构对比，得到两种阀门的优缺点如下：

（1）传统抽汽密封阀门的阀瓣固定在阀轴上，导致阀门阀瓣和阀杆不在同一条中心线上，阀门开启或关闭至某一角度时，阀门阀杆所受的扭力较大；而机械密封阀门的阀瓣和阀杆处于同一中心线，相比受到的扭力较小。

（2）传统抽汽密封阀门轴承耐高温，可在高温高压环境下稳定工作，因此滑动轴承可以安装在抽汽式密封内侧，且无需添加任何润滑介质，但是轴承磨损严重，阀门开启和关闭扭矩较大，特别是在阀门开度较小时，需要更大的驱动力克服轴承的摩擦力，易导致阀门卡涩；而机械密封的中压蝶阀则采用滑动轴承，由于耐高温情况较差，轴承安装在机械密封外侧，该结构轴承磨损程度较轻，阀门开启和关闭扭矩较小，不易发生阀门卡涩。

例如某核电基地在进行试验时，由于单个中压阀门GRE012VV（阀门开度为81.5%）关闭延迟，导致部分蒸汽进入中压缸，转子轴向位移偏大，机组停机停堆。故障发生后对GRE012VV解体检查发现止推环、端盖内表面、轴套端面及轴表面磨损严重，表明阀门在动作过程中，摩擦力严重超出设计值，导致油动机弹簧关闭力无法克服摩擦力，引起阀门卡涩，造成关闭延迟。

（3）传统抽汽密封阀门驱动端安装有迷宫式抽汽密封，阀杆漏出的蒸汽可以被及时抽走，不会造成外漏，且非驱动端无需抽汽，技术比较成熟；而机械密封的中压蝶阀无法完全密封住高温高压蒸汽，造成外漏，但机械密封的中压蝶阀从结构上可以做到体积小，拆卸方便。

（4）传统抽汽密封阀门的非驱动端轴向安装有止推环，其厚度决定了阀瓣的轴向位置，在设计时可以根据热膨胀量计算出止推环厚度，安装简单，后续阀门解体直接回装便可确保阀瓣在热态运行时处于阀壳中间位置，可有效对阀门进行轴向定位；而机械密封的中压蝶阀没有止推环，驱动端轴承作为阀轴的轴向定位点，安装轴承时需充分考虑非驱动端轴承紧固时阀瓣的轴向位移以及阀门在热态时的膨胀量，若阀门不置中，则易造成阀瓣与阀壳碰磨，且在机组运行时易导致阀轴轴向位置偏移，该问题是造成阀门卡涩故障的重要原因。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2025年第9期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。