核電站凝泵再循環(huán)旁路閥閥桿斷裂問題分析與改進(jìn)

方深深，王保田

(三門核電有限公司，浙江 三門　317112)

核電站凝泵再循環(huán)旁路閥閥桿斷裂問題分析與改進(jìn)

方深深，王保田

(三門核電有限公司，浙江 三門317112)

摘要：在某核電站1號(hào)機(jī)組調(diào)試期間，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥手動(dòng)旁路閥(以下簡稱凝泵再循環(huán)旁路閥)閥桿斷裂，導(dǎo)致凝結(jié)水泵長時(shí)間憋泵運(yùn)行。從閥門設(shè)計(jì)、閥門制造、調(diào)試方案以及調(diào)試執(zhí)行等4個(gè)方面對(duì)閥桿斷裂的原因進(jìn)行分析，并提出了后續(xù)改進(jìn)意見。對(duì)同類機(jī)組的閥門設(shè)計(jì)制造、調(diào)試運(yùn)行有借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：凝泵再循環(huán)；旁路閥；閥桿斷裂；有限元分析軟件

某核電站凝結(jié)水系統(tǒng)主要包括3臺(tái)凝汽器、3臺(tái)50%容量的凝結(jié)水泵(以下簡稱凝泵)、1臺(tái)軸封蒸汽冷凝器、2臺(tái)50%容量的凝結(jié)水精處理升壓泵、四級(jí)低壓給水加熱器、調(diào)節(jié)閥和相關(guān)的系統(tǒng)儀表等。凝泵再循環(huán)管線起于1號(hào)低壓給水加熱器前，回到凝汽器，其上設(shè)有凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥(CDS-V122)、前后隔離閥、凝泵再循環(huán)旁路閥(CDS-V124)以及降壓孔板。凝泵再循環(huán)管道的設(shè)計(jì)流量為950m3/h，單臺(tái)凝結(jié)水泵的最小流量為250m3/h。

該核電站1號(hào)機(jī)組二回路沖洗采用開式?jīng)_洗和冷熱循環(huán)沖洗的沖洗方式。為了滿足沖洗要求，在凝泵出口將軸封蒸汽冷凝器臨時(shí)旁路，通過臨時(shí)管道閥門連接至給水系統(tǒng)和加熱器抽汽疏水系統(tǒng)止回閥特殊工裝(JIG)，對(duì)給水系統(tǒng)和加熱器抽汽疏水系統(tǒng)管道進(jìn)行沖洗。

凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥閥籠為多孔閥籠結(jié)構(gòu)，有降噪減振功能。在二回路沖洗初期，為防止雜質(zhì)堵塞閥籠，先不投用凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥，將其前后隔離閥關(guān)閉，通過凝泵再循環(huán)旁路閥調(diào)節(jié)凝泵再循環(huán)流量。同時(shí)，為防止再循環(huán)管線上的降壓孔板被雜質(zhì)堵塞，在沖洗初期用臨時(shí)短管代替。二回路沖洗期間的凝泵再循環(huán)流程簡圖見圖1。

圖1　凝泵再循環(huán)流程簡圖

凝泵再循環(huán)旁路閥主要在系統(tǒng)沖洗初期水質(zhì)較差或凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥不可用時(shí)使用。根據(jù)采購技術(shù)規(guī)范書設(shè)計(jì)工況的要求，該閥門為真空針形閥，帶有流量調(diào)節(jié)功能，分CPS(凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的縮寫)停運(yùn)和CPS投運(yùn)兩種工況(見表1)，其中CPS投運(yùn)工況下，凝泵再循環(huán)流量為950m3/h時(shí)，該閥門需承擔(dān)2.97MPa的差壓。

在二回路沖洗初期，當(dāng)凝泵僅通過再循環(huán)管線正常運(yùn)行時(shí)，凝泵流量為950m3/h，出口壓力為2.90MPa，凝汽器在大氣壓下，凝泵再循環(huán)旁路閥承擔(dān)的壓差為2.90MPa。因此閥門運(yùn)行工況接近于CPS投運(yùn)時(shí)的設(shè)計(jì)工況，所承受的最大差壓、運(yùn)行壓力、運(yùn)行溫度、流量均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

表1　凝泵再循環(huán)旁路閥設(shè)計(jì)工況

1事件經(jīng)過

凝泵再循環(huán)旁路閥閥桿斷裂發(fā)生前，在維持該閥門10%開度的凝泵運(yùn)行時(shí)，多次發(fā)生因閥門振動(dòng)高造成閥桿密封泄漏事件。遂將該閥門解體檢查，檢查結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)閥桿閥芯連接部位有異常。對(duì)該閥門的填料進(jìn)行更換后回裝，繼續(xù)進(jìn)行沖洗工作。

在凝泵再循環(huán)旁路閥閥桿斷裂發(fā)生時(shí)，經(jīng)調(diào)取主控監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)凝泵出口壓力、電流、振動(dòng)等參數(shù)出現(xiàn)階躍變化，如表2所示。該閥門填料處存在一定的泄漏，節(jié)流噪音遠(yuǎn)小于往常，再循環(huán)管道振動(dòng)明顯減小。由于值班人員未能確認(rèn)問題所在，在調(diào)試人員趕到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后才停運(yùn)凝泵，此時(shí)凝泵已憋泵運(yùn)行1h。在凝泵停運(yùn)后，凝泵出口母管壓力下降仍非常緩慢，約1h后壓力降至常壓。通常凝泵停后，凝泵出口母管壓力應(yīng)立即下降。測(cè)量發(fā)現(xiàn)凝泵泵體溫度為88℃，出口管道溫度為92℃，超過了設(shè)計(jì)溫度80℃。

表2　閥桿斷裂前后凝泵參數(shù)變化

2原因分析

凝泵再循環(huán)旁路閥閥桿斷裂,導(dǎo)致了凝泵憋泵超設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行1h，在調(diào)試階段就對(duì)凝泵進(jìn)行了解體檢查，同時(shí)該閥門返廠改造也延誤了二回路沖洗工作，對(duì)設(shè)備安全以及調(diào)試進(jìn)度有很大影響。因此有必要對(duì)該閥門閥桿斷裂的原因進(jìn)行詳細(xì)分析并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

2.1閥門設(shè)計(jì)問題

通過與該核電站的參考電站同位置閥門對(duì)比，凝泵再循環(huán)旁路閥在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面有如下不合理的地方，如圖2所示。

圖2　凝泵再循環(huán)旁路閥結(jié)構(gòu)對(duì)比(左為某核電站，右為某核電站的參考電站)

(1)當(dāng)凝泵在再循環(huán)工況運(yùn)行時(shí)，泵出口壓力約2.90MPa，凝汽器內(nèi)部為大氣壓，再循環(huán)旁路閥前后壓差接近閥門CPS投用時(shí)的工況。根據(jù)閥門廠家提供的再循環(huán)旁路閥流量特性曲線，見圖3，此時(shí)再循環(huán)旁路閥開度應(yīng)為46%左右。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)再循環(huán)旁路閥開度到10%，凝泵流量即達(dá)到950m3/h。同時(shí)該閥門閥座口徑大，通流面積較大；閥芯球頭表面自密封面向下向內(nèi)凹陷，不連續(xù)；導(dǎo)致閥門的調(diào)節(jié)性能不好。閥門流量曲線實(shí)際偏差大和調(diào)節(jié)性差是閥桿斷裂設(shè)計(jì)方面的主要原因。

圖3　再循環(huán)旁路閥流量曲線

(2)閥門原設(shè)計(jì)為高進(jìn)低出，考慮在閥門關(guān)閉時(shí)能保證閥座密封性能。但實(shí)際在閥門半開時(shí)，流體直接沖擊閥芯上部，是造成閥芯振動(dòng)的重要原因。在閥桿斷裂時(shí)，閥芯在重力作用下脫落，同時(shí)在泵出口壓力下，直接堵死流道。

(3)凝泵再循環(huán)旁路閥原設(shè)計(jì)有閥桿導(dǎo)向，但閥桿導(dǎo)向離閥芯較遠(yuǎn)，對(duì)閥芯振動(dòng)起不到抑制作用。閥芯無導(dǎo)向支撐固定，且閥芯壓蓋與閥桿間隙較大，使得閥芯能沿閥桿軸向和徑向自由運(yùn)動(dòng)。閥芯較重，重量達(dá)到31kg，在遭受流體沖刷時(shí)，對(duì)閥桿連接部位的沖擊慣性較大。在遭受相同的沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)，導(dǎo)致閥芯振動(dòng)。

2.2閥門制造問題

為分析閥桿斷裂的根本原因，對(duì)斷裂的閥桿進(jìn)行外觀和金相檢查。通過外觀檢查可判斷，斷裂起源于閥桿凹槽下端面直角根部，在閥桿變徑上下端面未斷部位存在兩條環(huán)向裂紋(見圖4)。

圖4　閥桿斷裂部位外觀

通過閥桿的成分分析、力學(xué)性能分析、微觀組織分析等，判斷閥桿在制造方面存在如下問題。

(1)閥桿與閥芯連接部分有凹槽，該處凹槽是應(yīng)力集中部位，也是本次閥桿斷裂的位置。該凹槽是為閥桿加工方便，而在閥桿的變徑處留的退刀槽。而且該凹槽為直角過渡，在閥桿受拉應(yīng)力時(shí)，承受了較大應(yīng)力集中效應(yīng)，造成閥桿斷裂。通常過渡圓弧半徑越大，應(yīng)力集中效應(yīng)改善越明顯，如果采用直角過渡或過渡圓弧較小，則容易發(fā)生應(yīng)力集中造成閥桿斷裂。山東鄒縣發(fā)電廠高壓調(diào)節(jié)汽門閥桿斷裂[1]、某電廠電動(dòng)截止閥閥桿斷裂等均是閥桿變徑處直角過渡產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)導(dǎo)致閥桿斷裂[2]，由此可見閥桿直角過渡必須避免。

(2)閥桿沖擊性能分析發(fā)現(xiàn)閥桿材料的沖擊功為57J，低于《GB1220-2007不銹鋼鋼棒》標(biāo)準(zhǔn)下限值63J，閥桿韌性較差，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，通過閥桿金相分析發(fā)現(xiàn)閥桿材料晶粒度達(dá)到2.0～3.0級(jí)[3]。通常理想的馬氏體不銹鋼原奧氏體晶粒度為6.0～8.0級(jí)，晶粒粗大表明閥桿在調(diào)質(zhì)處理過程中淬火溫度偏高，組織發(fā)生過熱。

2.3調(diào)試方案問題

凝泵再循環(huán)旁路運(yùn)行時(shí)間過長，也是導(dǎo)致該閥門閥桿斷裂的間接原因之一。凝泵再循環(huán)管線，在電廠正常運(yùn)行時(shí)不投用，一般僅在機(jī)組啟停階段投運(yùn)，而使用再循環(huán)調(diào)節(jié)閥的旁路閥的工況更少。在調(diào)試階段，由于沖洗前期水質(zhì)較臟，為防止凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥閥籠堵塞，需使用旁路閥。在旁路閥發(fā)生閥桿斷裂前，凝泵已通過凝泵再循環(huán)旁路閥運(yùn)行較長時(shí)間，其中一部分是二回路沖洗期間為了保證凝泵最小流量，在沖洗其他管道時(shí)持續(xù)投運(yùn)再循環(huán)管線；另一部分是為避免頻繁啟停凝泵，將凝泵切換至再循環(huán)管線運(yùn)行過夜。長時(shí)間在高振動(dòng)的惡劣工況下運(yùn)行間接促使凝泵再循環(huán)旁路閥閥桿斷裂。

2.4調(diào)試執(zhí)行問題

在凝泵運(yùn)行期間監(jiān)盤時(shí)，由于凝結(jié)水流量孔板在沖洗初期尚未恢復(fù)，無法監(jiān)測(cè)流量參數(shù)，只能以凝泵出口壓力和凝泵運(yùn)行電流對(duì)應(yīng)凝泵性能曲線上的流量作為參考。間接的參數(shù)對(duì)凝泵實(shí)際流量的及時(shí)判斷有一定影響。

另一方面，臨時(shí)監(jiān)盤指令中的閾值參數(shù)設(shè)置，要求凝泵出口壓力在正常運(yùn)行額定壓力2.4MPa和最大出口壓力3.3MPa之間，凝泵電流要求小于130A。這個(gè)設(shè)定過于寬泛，沒有考慮到凝泵憋泵運(yùn)行情況。以上問題使得監(jiān)測(cè)參數(shù)出現(xiàn)異常后到凝泵停運(yùn)，主控用了較長時(shí)間判斷。

3改進(jìn)方案

3.1閥門設(shè)計(jì)選型改進(jìn)

根據(jù)參考電站對(duì)應(yīng)的閥門型式，對(duì)某核電站凝泵再循環(huán)旁路閥進(jìn)行改造，滿足閥門在高壓差、大流量、高振動(dòng)工況下的調(diào)節(jié)和抗振性能的要求。

(1)將閥座通徑由250mm縮小至110mm，優(yōu)化閥芯外形輪廓，提高閥門調(diào)節(jié)性能，減小閥芯振動(dòng)；閥芯重量由31kg降至11kg，較好地減輕了振動(dòng)工況下閥芯對(duì)閥桿的沖擊力；利用有限元分析軟件重新計(jì)算流量曲線，在前后差壓3MPa、流量950m3/h工況下，改造后閥門開度理論計(jì)算為26%，開度增加一定程度上也能減緩閥芯閥桿振動(dòng)。改進(jìn)后的閥門結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　改進(jìn)后閥門結(jié)構(gòu)圖

(2)閥門流量由高進(jìn)低出修改為低進(jìn)高出。低進(jìn)高出設(shè)計(jì)能保證閥芯脫落時(shí)也能在凝泵出口壓力下頂起，避免堵塞流道。

(3)增加閥芯導(dǎo)向支撐，進(jìn)一步減小閥芯振動(dòng)對(duì)閥桿的影響。閥門導(dǎo)向支撐用于閥芯和閥座的對(duì)中配合，通常會(huì)有閥桿導(dǎo)向、閥芯導(dǎo)向以及閥座導(dǎo)向等[4]。考慮到該閥門閥芯有一定的自由度，因此增加閥芯導(dǎo)向支撐有較好的抗振性能。

3.2閥門制造工藝改進(jìn)

現(xiàn)有工藝已能滿足加工沒有退刀槽的閥桿，所以應(yīng)取消閥桿退刀槽。但閥桿頭部仍存在變徑，在變徑處應(yīng)采取較大的R3圓弧過渡，改善應(yīng)力集中效應(yīng)，如圖6所示。

圖6　改進(jìn)后閥桿頭部采用R3圓弧過渡

加強(qiáng)對(duì)閥門制造廠的質(zhì)量控制，確保閥門部件材質(zhì)與技術(shù)協(xié)議要求一致；嚴(yán)格控制熱處理工藝，細(xì)化晶粒，提高閥桿材料沖擊韌性；閥桿材料除拉伸試驗(yàn)檢測(cè)外，增加沖擊試驗(yàn)檢測(cè)，確保閥桿原材料的韌性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3調(diào)試方案改進(jìn)

二回路沖洗期間，應(yīng)盡早投用凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥，并盡早恢復(fù)凝泵再循環(huán)降壓孔板以及凝結(jié)水流量孔板臨措，盡可能減少凝泵再循環(huán)運(yùn)行工況。

在二回路沖洗第1階段冷水沖洗水質(zhì)濁度已達(dá)到5ppm，雜質(zhì)基本被濾網(wǎng)過濾，后續(xù)調(diào)節(jié)閥閥籠和孔板堵塞的可能性較小。因此，在第1階段冷水沖洗完后，應(yīng)恢復(fù)凝泵再循環(huán)節(jié)流孔板和凝結(jié)水流量孔板。在第2階段熱水沖洗時(shí)即投用凝泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水流量變送器，使系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量，同時(shí)主控能監(jiān)控到凝結(jié)水流量參數(shù)。

在二回路沖洗初期仍需使用再循環(huán)旁路閥時(shí)，應(yīng)減少此階段凝泵再循環(huán)運(yùn)行工況。在沖洗其他回路時(shí)，避免再循環(huán)管線長時(shí)間投運(yùn)。如無持續(xù)運(yùn)行需要，在當(dāng)天即停運(yùn)凝泵不過夜。切換成調(diào)節(jié)閥控制凝泵再循環(huán)流量后，由于再循環(huán)調(diào)節(jié)閥附近管道仍存在較大振動(dòng)，因此仍須減少凝泵再循環(huán)管線投運(yùn)時(shí)間。

3.4調(diào)試執(zhí)行改進(jìn)

在臨時(shí)監(jiān)盤指令中根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)置閾值。例如：將凝泵出口壓力限制為2.60～2.90MPa，將凝泵運(yùn)行電流限制為92～120A等。對(duì)于其他運(yùn)行參數(shù)，也根據(jù)實(shí)際運(yùn)行記錄參數(shù)作相應(yīng)限制，縮小閾值范圍，使主控能更快發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)非正常參數(shù)。

在臨時(shí)監(jiān)盤指令中明確參數(shù)階躍變化限值以及需采取的行動(dòng)，如將凝泵電流階躍變化限制在±2A等，使主控在發(fā)現(xiàn)參數(shù)階躍變化時(shí)，能按照臨時(shí)監(jiān)盤指令明確執(zhí)行。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Analysis and Improvement of Condensate Pump Recirculation Bypass Valve Stem Break Issue in a Nuclear Power Plant

FANG Shen-shen, WANG Bao-tian

(SanmenNuclearPowerCompany,Sanmen317112,China)

Abstract:During the commissioning of No.1 generating unit in a nuclear power plant (NPP) , condensate recirculation flow control valve manual bypass valve stem breaks, which causes condensate pump running without flow for a long time. This paper analyzes causes of valve stem break from several perspectives, such as valve design, valve manufacture, commissioning program and commissioning execution etc., and proposes improvement suggestions. This research is of high reference value for similar unit for valve design and manufacture, commissioning and operation.

Key words:condensate pump recirculation; bypass valve; valve stem break；finite element analysis software

DOI：10.11973/dlyny201603024

作者簡介：方深深(1987)，男，助理工程師，從事核電廠調(diào)試技術(shù)工作。

中圖分類號(hào)：TK263

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0363-04

收稿日期：2016-02-29