核电站核岛蝶阀选用与安装方向

    一、不同类型蝶阀的结构特征与密封原理

    蝶阀在管道上起切断和节流作用，蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节管道通流截面大小的目的。传统上的蝶阀只能用于常温、低压和密封性要求不高的场合。随着新工艺技术和材料工业的不断发展，蝶阀几乎可以取代大部分的传统阀门，广泛用于工业的各个领域。根据蝶阀的结构特征，可分为中心、单偏心、双偏心和三偏心，其中新开发出来的三偏心蝶阀以其独特的优势，目前在欧美先进发达工业国家正在大力推广和使用。

    1.中心蝶阀

    中心蝶阀的结构特征为阀杆轴心、蝶板中心、本体中心在同一位置上。结构简单、制造方便。但由于阀门开启、关闭时蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态，启闭扭矩大、磨损快。为克服挤压、刮擦、保证密封性能，阀座基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料，因而在使用上受到温度的限制，使用温度一般≤120℃。 中心蝶阀的关闭是靠金属蝶板边缘挤压橡胶密封阀座，从而使阀座中间的橡胶隆起，来实现密封的，故阀门在高压下容易内漏。由于其前后结构对称，因此中心蝶阀通常可以双向使用。

    2.单偏心蝶阀

    为解决中心蝶阀蝶板与阀座的挤压问题，由此产生了单偏心蝶阀，其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心，从而使蝶板上下端不再成为回转轴心，分散、减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压，因此启闭所需的扭矩较中心蝶阀小。但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中，蝶板与阀座的刮擦现象并未消失，应用不多。

    单偏心蝶阀的回转中心位于阀体的中心线上，阀板相对于密封截面偏离一个距离，因此适合软密封。阀门关闭时，阀座与阀板密封面处在相对过盈的接触状态，要达到密封主要是靠压紧密封圈，使其在周边方向上膨胀，产生的密封力超过流体介质作用在阀板上的力达到密封，因此这类阀门推荐单向使用。

    3.双偏心蝶阀

    在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用最广泛的双偏心蝶阀， 其结构特征为阀杆轴心既偏离蝶板中心也偏离本体中心。第二次偏心即阀轴将蝶板分隔成一边多一边少的两部分，这种偏心可使蝶板在开启关闭过程中能迅速脱离阀座，大幅度地消除了蝶板与阀座不必要的挤压、刮擦现象，减轻了开启阻力距，磨损降低而阀座寿命提高。刮擦的大幅度降低，还使得双偏心蝶阀可以采用金属阀座，拓展了蝶阀在高温领域的应用。

    双偏心蝶阀密封原理类似于单偏心蝶阀，属位置密封构造、即蝶板与阀座的密封面为线接触、通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果，故对关闭位置要求很高（特别是金属阀座），承压能力低，推荐单向使用。

    4.三偏心蝶阀

    三偏心蝶阀是在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时，使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线，见图1。阀门关闭时阀板由于偏心缘故往前推，阀板和阀座在关闭过程中不产生摩擦，阀板直接压在阀座上，保证了阀门的使用寿命。

图1 三偏心蝶阀结构示意图

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    经过第三次偏心后，蝶板的密封断面不再是真圆，而是椭圆，其密封面形状也因此而不对称，一边倾斜于本体中心线，另一边则平行于本体中心线。 第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封构造，不再是位置密封，而是扭力密封，不依靠阀座的弹性变形而是依靠阀座的接触面压来达到密封效果。因此，解决了金属阀座零泄漏这一难题，并因接触面压与介质压力是成正比的，耐高压高温问题也迎刃而解。

    根据上述偏心蝶阀的结构特征可以看出，偏心蝶阀是靠偏心挤压和压紧来实现密封的，适合单向密封。在蝶板后（即有阀杆轴的一侧）加压时，水压增大了蝶板的关紧力；在蝶板前（即无阀杆轴的一侧）加压时，水压减弱了蝶板的关紧力。因此，蝶板关闭后，蝶板后的承压能力要远远大于蝶板前的承压能力。近年来，随着技术的进步，部分厂家已开发双向密封的偏心蝶阀，所谓的双向密封也是指反向密封的承压能力提高而已，但仍然不及正向承压能力，且成本较高。因此，偏心蝶阀推荐单向使用，在反向密封要求不严格时，可双向使用。

    二、核岛蝶阀的选用

    海南昌江核电厂1、2号机组（以下简称机组）核岛共使用700台蝶阀，所选蝶阀的设计压力一般≤150Lb（磅/英寸2，约1.03MPa），设计温度≤120℃，公称通径80～600mm。考虑到偏心蝶阀优良的性能及经济性，应业主要求，机组核岛和常规岛均使用双偏心蝶阀，核岛蝶阀由江苏神通阀门有限公司供货，为单向承压偏心蝶阀，反向密封的承压能力仅为正向密封承压能力的60%，因此，这类阀门需单向密封。

    机组的安全壳隔离阀是防止事故工况下安全壳内的放射性气体外逸设置的一类阀门，该阀门密封性要求比较高，压力温度也更高，启闭扭矩小，启闭时间短，因此选用了江苏神通的单向密封的三偏心蝶阀。

    考虑到系统中有些蝶阀关闭时需要双向承压，且反向压力能达到正向压力值，这类蝶阀如果选用偏心蝶阀，就需要设计压力低于蝶阀的反向压力，即蝶阀的承压能力需大大提高，会增加成本。因此，这类压力、温度均不高的蝶阀，可以选用双向承压的中心蝶阀，但需增加易耗品的备件。

    三、核岛所用蝶阀的承压方向

    根据机组系统流程图分析，核岛所用蝶阀的承压方向有双向承压和单向承压两种，单向承压又有正向承压及反向承压之分。

    1.单向承压

    正常情况下，流体是在压力的作用下从管道的上游流向下游，阀门关闭情况，阀门的承压方向和介质流向一致，此种情况为阀门的承压方向为正向承压。但核岛中也有相反的情况，阀门关闭状况下，承压方向为介质流向的反向，就是反向承压。核岛中蝶阀反向承压的情况主要有以下几种。

    （1）并联动力设备的出口管线。核电站常用的动力设备是离心泵，泵的运转会在出口管线上产生较大的压头。考虑到在不停堆情况泵的检修，多数情况下核电站泵的设计均为一用一备，或泵所在的工序为一用一备，两台泵并联设计，出口管线最后合并为一条管线，在合并前的泵出口管线上有时会安装有蝶阀，见图2。当泵A运行泵B停运时，蝶阀A出于开启状态，蝶阀B出于关闭状态，泵A的出口压力通过流体介质作用到蝶阀B的下游，使得蝶阀B承受很大的反向压力。同理，当泵B运行泵A停运时， 蝶阀A也承受很大的反向压力。这种情况在核电站核辅助系统、专设安全系统中经常出现，如辅助给水系统（ASG）。类似情况也可以延伸到其他动力设备，如离心风机，并联风机的出口管线上的蝶阀也会产生很大的反向压力，如并联风机的出口管线上的蝶阀。     

    （2）非动力设备的并联管线。核电站一些非动力设备也存在检修，在保持系统正常运行的情况下，对这些非动力设备也需要有备用的工序，因此也需要一用一备，如换热器、过滤器、除盐器。两台换热器一用一备（图3），并联的两个系列A、B管线中的流体介质承受同样的压力，当A系列的换热器运行，B系列的换热器停运，此时蝶阀A1和蝶阀A2开启，蝶阀B1和蝶阀B2关闭，系统的压力通过流体介质传送到蝶阀B2的下游，给蝶阀B2一个反向压力。同理，当B系列的换热器运行，A系列的换热器停运，将给蝶阀A2一个反向的压力。但以上两种情况下，蝶阀A1和蝶阀B1始终是承受介质的正向压力。这种情况在核辅助系统中也经常出现，如设备冷却水系统（RRI）板式换热器下游的蝶阀均承受较大的反向压力。类似的道理，除了上述一备一用的情况外，并联的两组或多组非标设备同时工作，以及非动力设备及并联的为其检修用的旁通管线，都存在非动力设备下游蝶阀承受反向压力的情况。

图2 并联泵出口管线上的蝶阀

图3 换热器并联管线上的蝶阀

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    （3）安全壳隔离阀所在管线。安全壳是核电站最后一道安全屏障。核电站发生事故工况时，核电站产生的放射性气体封闭在安全壳内，致使安全壳内压力很高，而同时安全壳隔离阀紧急响应关闭。此时安全壳隔离阀所承受的压力应由安全壳内指向壳外。如图4，安全壳内大气管线正常运行时为闭式循环，当发生事故时，安全壳隔离阀关闭，蝶阀B2承受正向压力，蝶阀B1承受反向的压力。如安全壳大气监测系统（ETY）的安全壳隔离阀。

图4 安全壳隔离阀

    2.双向承压

    核岛中比较常见的双向承压的蝶门布置在消防系统，如核岛消防系统（JPI）、电气厂房消防系统（JPL）等。核岛的消防水由消防水泵提供动力，经过消防水分配系统（JPD）输送到核岛各个厂房，其中有的达到 20m以上房间中的湿式立管中，这些管道始终充满着水，且维持一定的压力，保证能随时提供消防用水。当蝶阀关闭时，阀门要受到消防水的正向压力，同时阀门下游的消防管道内封闭的水也将对阀门产生反向的压力，这种情况下，安装在此处的蝶阀需双向承压。

    四、核岛蝶阀的安装方向

    中心蝶阀结构前后对称，为双向密封，阀体上标注的箭头为双向，即“←→”，可以理解为介质的流动流向，也可以理解为介质的压力方向，因此可双向安装。

    偏心蝶阀标注在阀体上的箭头所指的方向并不是管道内介质的流动方向，而是表示当偏心蝶阀密封关闭时管道内介质的压力方向。因此，偏心蝶阀的安装务必注意，若安装不当，会造成偏心蝶阀内漏，破坏密封结构。对于正向承压的偏心蝶阀，安装时根据阀门上的标注的承压方向安装，使介质的流向与阀门的承压方向一致。对于反向承压的偏心蝶阀，安装时阀门要反装，使阀门的承压方向与介质的流向相反。当蝶阀关闭时，阀门上游不在承受介质压力， 阀门下游所承受反向的压力正好与阀门的承压方向一致，使阀门达到很好的密封效果。

    五、结论

    通过对不同类型蝶阀结构特征及密封原理的分析，可以看出对于双向承压的蝶阀，如果反向密封要求严格时，可以选用合适的中心蝶阀，安装时双向均可承压。对于性能优良的偏心蝶阀推荐单向密封，正向承压时，按照阀体上箭头方向安装，使介质流向和标注的承压方向一致；反向承压时，按照阀体上箭头方向反向安装，使介质流向和标注的承压方向相反，达到很好的密封效果。同理，对于核电站常规岛偏心蝶阀的安装，也可以按照文中所述判定阀门的安装方向。