1   概述

2   卡涩原因分析

（1）阀门结构缺陷

阀芯和阀杆连接处在使用一段时间后出现了轻微松动，导致阀芯和阀笼发生摩擦，出现刮痕；阀笼为整体式结构，尺寸较大，流量孔小而密集，机加过程中易受机床刀具摆动影响，不能很好地保证零件粗糙度及同轴度，发生形变概率较大；阀内件导向不足且阀门行程较大，阀芯在动作过程中大概率会发生摩擦，导致阀门卡涩；阀芯、阀笼均为薄壁件结构，尺寸较大，在机加工过程中或受到蒸汽长时间的冲击以及温度变化，易发生形变，最终使阀芯与阀笼产生摩擦，导致调节阀在启闭过程中发生卡涩。

（2）热膨胀影响

在设计压力为1.32 MPa条件下，对原阀阀笼及阀芯进行负载模拟分析，阀笼最大变形量为0.0234 mm，阀芯最大变形量为0.0178 mm。在运行温度为188 ℃条件下，阀笼径向热膨胀量为0.0010686 m，阀芯径向热膨胀量为0.000973 m，热膨胀量差异导致阀芯与阀笼之间的间隙发生变化，从而增加了卡涩风险。

（3）阀门振动

阀内件配合间隙过大会使阀门更易磨损，但较大的配合间隙会增加阀芯振动的可能性。阀门的振动可由阀芯的压差引起，该压差会因为更高的压降而增加，从而在阀体中引起涡流。阀门的振动可能会导致阀芯和阀杆同轴度降低，或突然疲劳失效，可能导致阀芯产生旋转扭矩；该扭矩将传递至阀杆，进而导致定位器和限位开关校准移位。在实际运行中，阀门振动的频率和幅度与蒸汽的流速和压力密切相关；当蒸汽流速超过一定阈值时，阀门振动的幅度会显著增大，从而提高了卡涩的发生概率。

（4）材质及硬化方式

阀芯材质为A743 CA6NM/HT，硬度在HRC28~36之间；阀笼材质为17-4PH/H1075，硬度在HRC36左右。阀芯、阀笼材质搭配抗磨损性不佳，且未发现硬化处理痕迹。摩擦时，硬度较低的内件表面金属存在摩擦脱落风险，脱落金属聚集造成严重划痕，或直接导致阀门动作卡涩。通过对磨损后的阀芯和阀笼进行金相分析，发现其表面硬度分布不均匀，这进一步加剧了磨损和卡涩现象。

（5）异物污染

阀笼、阀芯台阶存在明显磨损，阀笼内壁污染物与孔口齐平，表明污染物进入阀笼后卡在孔中，阀芯运动时与污染物刮蹭。焊接过程中形成的焊道可能是圆形的，在阀芯台阶上可以看到圆形压痕。流开型阀门中，焊缝或管道碎屑易被介质推动至阀门底部，进入阀笼与阀芯之间，这些异物在阀门动作过程中与阀芯产生摩擦，最终导致卡涩。

（6）设计间隙

原阀的阀笼内径设计值为504.0632~504.1392 mm，实际平均值为504.13 mm；阀芯外径平均值为503.595 mm。阀笼与阀芯配合单边间隙约0.268 mm，当介质杂质或阀内件同轴度变化时，阀门卡涩风险较大。在实际运行中，由于蒸汽中携带的杂质颗粒较大，易堵塞阀笼与阀芯之间的间隙，从而导致卡涩。

3   国产化解决设计方案

针对卡涩问题，本文经过详细分析，提出以下四种设计方案。

3.1   ABM 24′′Class300流开型

（1）根据输入的阀门参数，24英寸的阀门为合适的选择。其下游速度≤23 m/s，阀门额定K_v=2900，流量特性为修正线性，阀门行程由原Fisher阀的378 mm降低至250 mm。阀体的设计需要有足够低的流阻系数以结合套筒，满足阀门的最大流通能力和限制阀体出口流体速度，因此开展低流阻大流通能力的阀体优化设计。采用低流阻非规则流道铸造阀体，设计低流阻流道，采用变形状变截面的成型模式，从而形成最小流阻系数的控制阀流道，实现阀体流通能力的最大化和大通量的技术要求；采用分段、分规格的模式提高阀门可调比，满足该调节阀的调节精度要求。

（2）阀门采用双导向结构。阀芯与套筒为辅导向，增加阀杆与上盖为主导向，从而避免单导向阀门运行过程中产生的偏心卡涩。上阀盖底部镶嵌导向套，与阀杆间隙配合作为主导向，通过键槽增加了导向部分的防转结构。如图3所示，平键与导向套先通过内六角圆柱头螺栓连接，随后将整体镶嵌到上阀盖底部，螺栓无松脱空间，可不考虑防松问题。国内部分口径≥150的调节阀产品中，均为这种主导向结构设计，该结构设计成熟，应用案例较多。阀芯与套筒为辅导向，通过阀芯外圆台阶与套筒内径进行往复运动。阀杆与阀芯通过螺纹与焊接相结合，加固连接，保证阀门运行过程中阀杆与阀芯、阀芯与套筒之间的高同轴度。

图3   阀门改进结构示意图

（3）采用多部件结构设计。将整体式套筒分为下套筒和上套筒，上套筒用于阀门行程缓冲及中法兰密封。多部件自找正设计特点为：中法兰栓母将上阀盖、上套筒、套筒、阀座及密封垫逐级压紧；每个零件之间有公差间隙配合，这既有导向定位作用，又保证了自上至下水平安装，确保了缠绕垫和大缠绕垫的均匀、有效的压缩量，实现密封。当阀芯与阀座接触时，阀芯与阀座会自找正，进行密封面的配合密封，进而提高阀芯、阀座密封面及阀芯与密封圈的二次密封性能。

（4）增加阀座笼。由于介质低进高出，阀座笼可以减少污染；同时，使用打孔阀芯调节流量，任何污染物都有可能从导向表面进入阀芯内部，从而减少磨损的可能性。

3.2   ATM 24′′Class300流关型

该方案设计思路与方案1中的（1）~（3）相同，其不同之处如下：

（1）阀门流向为高进低出，套筒升级为迷宫块，以实现流量的调节，同时其可充当过滤器，有效防止大颗粒进入导向表面。阀芯使用平衡式柱塞结构，阀芯外圆台阶与迷宫块内径进行往复运动实现流量可调，同时作为辅导向保证内件高同轴度。迷宫碟片小开度采用4级碟片，大开度采用2级碟片，可以使噪音低于85 dBbA。对迷宫碟片进行特殊设计，增加PER(压力机平衡槽)和TCR(异物缓存槽)凹槽。PER压力平衡槽有助于平衡阀芯周围的压力并降低振动；TCR异物缓存槽为堵塞物移动提供了空间。当阀芯和迷宫块开始磨损或生锈时，这些凹槽会破坏金属的积聚，阀芯的动作迫使异物卷入凹槽，从而使阀门能够继续动作，避免阀门动作卡涩。本文设计的迷宫块与传统阀笼的对比如图4所示。

图4   迷宫块与传统阀笼结构对比

（2）将原阀芯密封圈移动到迷宫块与上套筒之间，转换动态密封为静态密封，静态密封较动态密封的优势在于其可降低密封圈磨损以及处理管道系统的少量污染物。材质方面，阀体、上阀盖选用A216-WCB，芯套/阀杆选用A479-400（600 ℃回火、渗氮）/17-4PH（H1075），迷宫碟片选用A479-410/HT。

3.3   ATM 24′′Class300流开型

该方案设计思路与方案1中的（1）~（3）、方案2中的（2）相同，迷宫碟片的设计与材质选择与方案2相同。其不同之处为：阀门流向为低进高出，为降低管线污染引起磨损的可能性，增加K_v=9000的阀座笼，充当过滤器。

3.4   ABM 24′′Class300流关型

该方案设计思路与方案1中的（1）~（3）相同，其不同之处如下：

（1）该调节阀介质为蒸汽，温度较高，原FISHER阀门套筒和阀芯均为薄壁件结构，流量套筒在满足流量的前提下，流量孔小而密集，在长时间运行后，受薄壁件结构影响，发生形变的概率较大。因此，本文对套筒结构进行了升级。采用双层套筒打孔设计可有效降低介质冲刷，并防止气蚀产生，噪音小于85 dBbA。在满足流通能力K_v=2900的基础上，阀门的额定行程从378 mm有效降低至250 mm，避免了较大行程引起卡涩的风险、较小行程内件产生形变的现象。阀芯设计为外圆具有阶梯状导向结构的平衡式阀芯，如此可减少导向面积与介质不平衡力。

（2）在材质上，内件材料考虑材料热膨胀系数和热处理硬度，以此降低发生形变的概率。套筒材质选择410马氏体不锈钢，在600 ℃进行回火和渗氮处理，以提高硬度；阀芯材质选择410马氏体不锈钢，对凸出台阶进行司太莱堆焊处理，以提高阀芯导向部分的硬度，降低蒸汽介质冲刷和温度变化引起的形变；阀体、上阀盖选用A216-WCB，套筒选用A479-410（600 ℃回火、渗氮），阀芯/阀座选用A479-410+ST，阀杆选用17-4PH（H1075）。材料的选择及硬化方式的确定能够使内件之间的耐磨损性更佳。

（3）阀笼、阀芯设计间隙。在保证流量和密封的前提下，方案4将阀笼、阀芯配合间隙做到单边0.75 mm，大于原阀单边0.268 mm的间隙。该间隙预留值对污染介质或变形引起的变量有更大的容错率，降低了阀门卡涩的风险。方案4的设计为介质高进低出型，方案中提到的双层打孔套筒可起到过滤管道杂质和降低介质流速的作用，而阀座笼更适用于介质低进高出的阀门。

（4）常规的填料结构在安装后可能存在受力不均的情况，填料接触压力逐渐衰减、自身老化、失去弹性，此时介质会向外泄漏。对填料结构进行设计，如图5所示。该填料具有预紧装置，通过精确控制填料预紧装置上碟簧的压缩量及产生的力值来控制补充填料上的预紧力，能够有效防止填料泄漏，提高密封效果。此外，填料环采用自润滑石墨填料。

图5   填料结构示意图

根据技术规格书要求，针对辅助蒸汽至除氧器保压蒸汽调节阀，本文选择了符合要求的执行机构及仪控附件，如表1所示。

表1   执行机构和仪控附件设计

经过对比分析，方案4在技术经济性、成熟性、可靠性方面表现最好，被选定为最佳方案，优化后的阀门结构见图6。该方案在K_v值、行程计算、流量特性选择、材料及硬化方式确定、导向结构改进、套筒布孔等方面结合阀门动作卡涩问题给出了针对性设计，能够有效解决辅助蒸汽至除氧器保压蒸汽调节阀动作卡涩问题。

图6   最佳方案阀门结构示意图

4   试验验证

5   结语

本文成功研制出国产化辅助蒸汽至除氧器保压蒸汽调节阀，实现了关键设备国产化。国产化阀门在结构设计、材质选择、制造工艺等方面均达到或超越原装进口阀门水平，有效解决了卡涩问题，提升了设备可靠性和机组经济性。通过对国产化阀门的性能测试和实际运行监测，发现其在调节精度、响应速度、密封性能等方面均有良好的表现。此外，国产化阀门在密封性能方面也有显著提升，经过长时间的运行测试，其泄漏量始终保持在极低水平，为机组的安全运行提供了有力保障。该项目推动了核电设备的国产化进程，提高了我国核电产业的自主可控能力，减少了对国外技术的依赖，增强了能源安全。同时，该研究成果为其他核电关键设备国产化提供了宝贵经验与借鉴，促进了整个核电行业的技术进步和产业升级。