介紹了核電站用閘閥在高溫條件下防止產生熱粘連的結構要素，及其防止產生熱粘連的理論分析。

1、概述

　　熱粘連是指配合件在溫度升高變化時，金屬表面膜被破壞，使之與產生新生面直接接觸，金屬處于回火狀態(tài)，降低了表面硬度，同時材料溫升過高后，以致該區(qū)域摩擦副對偶表面產生熔化，促使粘著現象產生或加重，使機械正常的使用功能受到破壞，造成設備系統(tǒng)運行事故。大口徑閘閥是CAP1400 核電站項目管路系統(tǒng)的關鍵設備，其設計溫度為350℃、設計壓力17.2MPa、工作介質為蒸汽和含硼水。閥門在系統(tǒng)中主要起著接通和切斷介質作用。為保證閥門使用性能安全可靠，真空技術網(http://www.lalazzu.cn/)認為根據閥門的結構特點對有可能產生熱粘連的部位進行必要的可靠性分析。

2、結構分析

　　閥門由閥體、閥蓋、彈性閘板和閥座等零部件組成( 圖1) ，電動裝置驅動。在閥門的開關過程中閘板與相應的配合件閥座和導向結構發(fā)生相對的摩擦運動，所以閘板與其配合件在溫度變化、作用力變化的條件下具有發(fā)生粘連的條件。

　　(1) 閘板與閥座

　　閥門關閉時，閘板與閥座保持緊密吻合達到密封以切斷介質。閥門開啟時，閘板在閥桿的作用下，將沿密封面的切線方向緩緩抬起逐步脫離閥座，以實現介質流通。

圖1 閘閥

　　(2) 閘板與閥體

　　為實現閘板在閥體中垂直方向上下運動，及減少閘板與閥座運動副間相互摩擦而提高密封使用壽命，在閥體和閘板上設計有一對導向結構，閘板導向面上堆焊STL 硬質合金。閥門的閘板在閥座密封面運行一段距離后與閥座密封面脫開( 運行距離與設計確定的配合精度相關) ，閘板導軌槽與閥體導軌面接觸，閘板沿著閥體導軌滑動，閘板在閥體導軌的導引下完成開啟關閉的功能。

　　在閘板與閥座及閘板與閥體導向接觸的運動中，均發(fā)生了相對摩擦，如運動件相應的材質、作用力變化、高溫狀態(tài)和運動速度等因素同時出現在某一個對應條件下時，就有可能出現接觸部位的粘連，從而導致閥門在運行中熱粘連現象的發(fā)生。

3、熱粘連分析

　　3.1、基本條件

　　相關規(guī)范要求，閥門具有彈性結構閘板的配對件溫差△T≥55.56℃及系統(tǒng)限制溫度T≥93.33℃時，需考慮熱粘連因素。由于設計選用的閥門結構為彈性閘板，系統(tǒng)工況最高使用溫度為177℃、設計溫度為350℃，超過了發(fā)生熱粘連的最高溫度，所以具有發(fā)生熱粘連條件的可能。

　　(1) 彈性結構閘板配對件的溫度場

　　由于彈性閘板具有可能發(fā)生熱粘連的結構特征，所以需對閥門在溫度變化時進行溫度場分析，以確認其配對部件( 即閥體與閘板) 的溫度差△T≤55. 56℃時，可排除熱粘連的產生。閥門使用系統(tǒng)的溫度范圍為38 ～350℃，采用模擬工況條件下的環(huán)境狀態(tài)，建立標準分析模型。對工況條件下的兩個極限溫度38℃和350℃及常溫狀態(tài)下配合部位的溫度場進行了分析。閥門在關閉條件下，一側穩(wěn)態(tài)溫度設定為350℃另一側設定為38℃。觀察分析，在溫度分界的密封副兩面在溫差范圍內沒有明顯大的差異，最大溫差30℃左右。據此分析即使在350℃極限溫差的條件下，彈性閘板配對件具有不產生熱粘連(△T≤55) 的條件。

　　(2) 最高使用溫度的溫度場

　　模擬管路系統(tǒng)溫度穩(wěn)定運行在177℃ 的條件下，觀察閥座和閘板運動副的位移變化。以常溫為位移分析基礎值，中法蘭X、Z 軸兩個方向為中心的位移基本呈對稱分布( 圖2 和圖3) 。經分析，在溫度變化最大的情況下，閥門的閘板和閥座是一對經溫度影響位移變化最大的配合件。經圖譜分析、在工況溫度為177℃時溫差產生的位移變化不明顯，所以僅對350℃極限溫度差條件下進行兩對運動副的分析( 表1) 。

圖2 X 軸方向位移變化趨勢

圖3 Z 軸方向位移變化趨勢

表1 閘板與閥座在高溫狀態(tài)時的X 向位移

　　在介質溫度350℃時，閘板與閥座位移值基本同步沒有明顯變化，在閘板下方差異為0.034mm，發(fā)生的細微變化數值顯示也基本同步。閘板與閥體導軌的X、Z 軸，當溫度升高到350℃時，在壓力- 溫度作用下，兩個方向位移幾乎同步( 表2) 。X 軸方向最大位移差值為0.075mm ，Z 軸方向最大位移差值為0.042mm。在該處結構設計時，給定配合間隙為2.0mm，實際的間隙量遠大于高溫下的最大值。經過分析的兩個摩擦副部位，即使在最大溫差條件下仍然沒有因熱膨脹而導致的熱粘連現象。

表2 閘板與閥體導向在高溫狀態(tài)時X、Z 向位移

　　3.2、相關條件

　　配合件產生的熱粘連與材料性能、使用溫度、載荷及滑動速度和潤滑條件等有關。

　　(1) 材料性能

　　材料性質對粘連的發(fā)生有明顯的影響。金屬材料相近相同的晶格類型及電化學性能相近的金屬互溶性好，發(fā)生粘連傾向大，容易產生磨損粘連。相同材料相互摩擦產生的磨損粘連較異種材料要大得多，脆性材料的抗粘連能力比塑性材料高。材料的屈服點或硬度越高，其抗粘連及磨損能力也越強。

　　閥門閘板和閥座密封面材料均采用STL 鈷基硬質合金。鈷的晶體結構在417℃以下為密排六方晶體結構，密排六方結構比一般的面心立方結構抗粘連性能好，鈷基合金比鈷抗粘連性能更強。鈷基合金有很好的耐高溫( 在650 ～1100℃條件下具有較好的高溫強度) 、耐磨及抗氧化性能，是一般用于高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕工況條件下常用的密封材料。閥門所用最高設計溫度為≤350℃，是抗磨損粘連特性的安全溫度段，摩擦副經過類似和高于該工況條件下的長期使用，均沒有發(fā)生過粘連現象，所以密封副雖然采用的是同種材料，但是具備優(yōu)異的抗磨損粘連性能。另外，為減少閘板與閥體導軌摩擦副( 本體均為CF8M) 發(fā)生熱粘連傾向，在閘板導軌表面堆焊鈷基硬質合金，與閥體CF8M 不銹鋼導軌形成兩種不同材料配對，由于相應的材料屈服點及硬度存在很大的差異( 即，CF8M 的硬度HB≤187 ，STL 的硬度HRC≥ 40) ，材料的互溶性很小，所以形成粘連的條件明顯降低。

　　(2) 使用溫度

　　金屬的硬度一般與溫度相關，溫度越高硬度越低。由于微凸體間發(fā)生粘連的可能性隨著硬度降低而增加，因此在沒有其他因素的影響下，磨損粘連的產生隨著溫度提高而增加。為減少和避免這一問題，在材料上選擇了高溫耐磨性能好的鈷基合金材料。

　　(3) 載荷及滑動速度

　　研究資料介紹，一定速度條件下，當表面壓力達到一定的臨界值時，經過一定時間的運行就會發(fā)生粘連。一般情況下在密封副表面壓力作用下( 摩擦表面的法向載荷) ，磨損發(fā)生粘連和磨損率隨滑動速度的變化而發(fā)生變化，其中低載荷且溫度較低時磨損較低，相對發(fā)生熱粘連的可能性就低，因此時摩擦面的表面膜沒有達到被破壞的程度。由于閥門摩擦副載荷較小遠低于相應的臨界值，同時溫度又較低且在平穩(wěn)的低速下運動( 大約運行速度υ < 0.5m/min) ，所以因為滑動速度、表面載荷及相應溫度的關系，使摩擦副發(fā)生磨損粘連的條件不充分。

　　(4) 潤滑條件

　　潤滑對于有液態(tài)介質的工況條件( 如液體等)比干摩擦運動件產生粘連的可能性要大大減少。閥門工作系統(tǒng)介質為含硼水或蒸汽，所以其工況條件有利于避免摩擦副發(fā)生磨損或粘連。

4、結語

　　經分析，彈性閘板閘閥出現熱粘連的趨向很低。根據同類閥門的長期使用情況分析，在相應更加嚴苛的條件下閥門均沒有發(fā)生過熱粘連的實例，據此可確定，閥門避免產生熱粘連方面的性能可靠。