一種大型內置式彈簧閥內漏原因分析及在線整定技術應用

胡友平，周小雄

(中廣核工程有限公司調試中心，廣東 臺山 529200)

某核電站3號機組采用CPR1000技術，高壓給水加熱器系統(AHP)水側旁路管線設計有電動旁路閥和彈簧加載閥，其中電動旁路閥還設置電動旁路小閥。機組在100%Pn平臺首次進行機組性能試驗時，發現汽輪機出力不足，排查發現主給水流量控制系統(ARE)入口溫度(220.24 ℃)較AHP出口溫度(225.71 ℃)偏低近6 ℃，該問題對機組的安全、經濟運行造成了較大影響，需要分析問題的根本原因并進行處理。

1 系統設備介紹

高壓給水加熱器系統介于電動給水泵系統與主給水流量控制系統之間，利用汽輪機抽汽加熱高壓給水，保證進入蒸汽發生器的給水溫度,系統設置6號和7號兩級高壓加熱器,采用雙列布置。其流程簡圖見圖1。

高加罐體由東方鍋爐(集團)有限公司供貨，每列給水容量各為50%。高壓加熱器水側旁路設置閘板式電動隔離門AHP009VL、彈簧加載閥AHP008VL兩條管線[1]，均按照35%的額定流量設計，當高壓給水加熱器單側隔離后，電動旁路閥自動開啟，65%的流量通過運行的加熱器組，35%的流量通過旁路管線。彈簧加載的旁路閥，用來在電動旁路開啟失效后，保證足夠給水流向蒸汽發生器。

圖1 系統流程簡圖

旁路彈簧加載閥是內置式彈簧調節閥，該閥重達4.38 t，長1.94 m，高1.874 m，由威爾廠家整套供貨，彈簧閥壓力設定值為1.913×105Pa，由廠家根據設計提資在廠內完成整定，現場不需要重新校驗，閥門結構見圖2。閥門與規格為508 mm×25 mm、材質為WB36CN1的管道對接焊，布置在常規島廠房6.2 m樓層圍欄外側，懸空于APA給水泵油換熱器上方，閥門上、下部有多條管道阻擋，內側也有儀表管線以及廠房立柱阻擋，若進行閥門整體更換，需切割多處受影響管道，拆除周邊風管，且施工工作涉及高空起重、交叉作業、防異物等問題，現場安全質量管控難度很大。

圖2 AHP008VL彈簧加載閥結構

2 高加水側溫度偏差原因分析

安全閥動作后根據外部現象很容易判斷，動作原因及處理技術成熟[2]，但內置彈簧閥由于難于直觀觀察到是否泄漏，需要根據現場實際進行分析。主給水流量控制系統入口溫度較高壓給水加熱器出口溫度存在偏差原因很多，現場經過以下逐步排查后，確認了問題的根本原因。

2.1 儀表測量誤差

高壓給水加熱器每列出口均設計有在線溫度計，同時性能試驗小組根據數據采集的需要，在現場安裝有臨時溫度測點，這些溫度計都校驗合格且在有效期，現場兩者測量的溫度偏差不大，可排除儀表原因導致存在溫度偏差。

2.2 保溫效果差、熱損失大

高壓給水加熱器出口與給水流量控制系統入口管線較短，現場檢查保溫符合設計要求，與參考電站的保溫設計類似，因此保溫效果差的可能性較小，保溫疑問可排除。

2.3 高壓給水加熱器水側旁路存在內漏

高壓給水加熱器水側旁路共有3個閥門，包括旁路電動閥、旁路電動小閥、彈簧旁路閥，對這3個閥門內漏情況進行分析如下。

2.3.1 熱力計算分析

假設高壓加熱器旁路存在內漏，內漏流量為Q1，通過高壓加熱器的流量為Q2，進入ARE母管的總量為Q，那么存在如下關系：

Q=Q1+Q2

(1)

高壓給水加熱器旁路泄漏時，對應工質的溫度和壓力與除氧器一致，其焓值為H1。高加出口工質的焓值為H2，ARE入口混合流體的焓值為H，那么根據能量守恒：

Q*H=Q1*H1+Q2*H2

(2)

根據性能試驗小組測量的數據，帶入式(2)，如表1所示。

表1 現場性能儀表測量數據

計算可知：高壓給水加熱器旁路流量占總流量的11.3%，旁路發生內漏。

2.3.2 現場檢查

旁路閥的上游介質來自除氧器，滿功率運行溫度約177 ℃，旁路下游正常情況與高壓給水加熱器出口溫度連通，溫度接近，因此若旁路發生泄漏，則閥門中流體一直保持流通，閥體及管線內的溫度應與除氧器溫度接近，根據此原理對現場進行檢查情況如下：電動旁路閥及電動旁路小閥處于全關狀態，對閥門盤根、閥后探傷孔金屬部分用溫槍測量溫度約120 ℃，內漏可能較小。對彈簧加載閥，測量閥后探傷口管座位置的溫度為170 ℃，與除氧器溫度較為接近，因此確定彈簧加載閥內漏。

2.4 根本原因確認

彈簧加載閥壓力定值由設計方根據生產廠家提供的高壓加熱器設備阻力值計算得出，查詢廠家給出的單臺阻值為0.03 MPa，較同類型機組的0.077 MPa明顯偏小，存在廠家提供管阻值錯誤的可能性，與廠家核算后，確認提資的管阻數據存在偏差，經過重新計算，給出了相關的準確數據：單臺高加50%給水流量時，7號高加管側壓降約0.061 MPa，6號高加管側壓降約0.054 4 MPa；單臺高加在60%給水流量時，7號高加管側壓降約0.099 1 MPa，6號高加管側壓降約0.088 4 MPa。廣東電力設計院根據廠家提供數據，重新計算出彈簧加載閥壓力定值應為2.348×105Pa。

3 問題解決方案

旁路彈簧加載閥由威爾閥門廠家供貨，廠家技術專家到現場核實后，建議重新采購新閥門進行整閥更換，當時機組處于即將商運階段，若重新采購閥門，供貨時間在12個月以上，現場條件不允許，專項組經過多次討論后，制定、實施了2步走方案：首先實施彈簧預緊力臨時調整方案，確保了機組按期商運；在機組大修期間實施正式處理方案。

3.1 彈簧預緊力臨時調整方案

3.1.1 方案的制定

CRR1000機組高壓給水加熱器布置有旁路彈簧加載閥，其作用是旁路電動閥出現拒開時打開泄壓，目前先進的EPR、AP1000機組以及絕大部分火電機組均未設計該路管線，基于以上考慮，項目制定了在原閥門上壓縮彈簧、調整壓力定值的方案。

3.1.2 彈簧壓縮量的理論計算

為確保調整后閥門具有一定的開度裕量，方案確定按照55%額定流量時的壓力值2.318 ×105Pa進行調整。

參照3號機的設備圖紙，在原設定值1.913×105Pa的時候，彈簧的壓縮量為283 mm，將數據帶入彈簧力計算公式：F=Kx,可計算彈簧需要進一步壓縮量L=283*(2.318-1.913)/1.913=60 mm。

3.1.3 現場改造實施

為了臨時調整方案的順利實施，首先在安裝階段的4號機組4AHP008VL彈簧閥進行最大壓縮量試驗(最大70 mm)，在確認彈簧具有壓縮裕量后，利用3號機組100%Pn平臺跳堆試驗窗口，成功實施了彈簧壓縮60 mm的調整工作，后續經過同工況下再次驗證，給水溫度偏低問題解決，機組性能滿足設計要求，機組順利商運。

3.2 最終解決方案

彈簧預緊力臨時調整方案存在彈簧壓縮后閥門開度裕量不足問題，為確保壽命期內設備運行穩定可靠，需要制定、實施徹底解決方案。

3.2.1 方案的確定

a. 方案一：閥門的整體更換。存在困難：成本高、工期長；閥門重且現場環境難以完成新舊閥門的吊裝；閥連接管道切割后存在管道短缺、焊接裕量難控制和產生異物難清理；閥門更換涉及高空起重、交叉作業，現場安全質量管控難度極大等。

b. 方案二：更換閥芯、彈簧組件。存在困難：廠家技術人員認為單獨制造的新閥門組件和舊的閥體可能存在契合度不夠的問題，且此閥門較為精密，壓力值范圍較小，一定程度上可能會影響到閥門定值的準確性。

c. 方案三：更換閥門彈簧組件+在線整定方案。廠家從技術、商業等角度考慮，不提供或沒有在線壓力校驗的方法；目前火電廠安全閥的調整方法成熟、簡單[3]，但對于內置彈簧閥在線整定在廣核集團范圍無執行反饋，在國內火電廠中也難以找到借鑒案例。結合現場實際，經過10余次會議專項討論后，最終創新性地選用了“機組大修期間更換閥門彈簧組件+在線整定方案”，為了確保彈簧組件能順利安裝于原閥體上，在備件采購時對廠家特別提出了更換要求，即原閥門保留閥殼、閥座、閥頭、閥頭導向件，新的彈簧組件必須在原閥門模具上完成。

3.2.2 閥門彈簧組件+在線整定方案

根據工作需要，按照圖3完成現場臨時設備的安裝，以解決存在的觀察、穩壓、水源等問題。

a. 更換閥門彈簧組件，閥門解體后進行密封性檢查，必要時進行研磨處理[4]。

b. 將彈簧加載閥3AHP008VL閥前探傷孔磨開，在前探傷孔處焊接管座和接管，上面安裝一塊高精度壓力表用于觀測系統壓力；接管上連接臨時軟管用于排氣、穩壓和輔助觀察。

c. 彈簧加載閥后探傷孔磨開，用于使用內窺鏡觀察閥門的動作、泄漏情況以及閥體殘水排放(接細軟管，通過虹吸原理排放)，定值調整試驗開始前排空閥后殘留積水。

d. 確定了驗收標準為整定值誤差范圍為(0±0.1)×105Pa，即合格范圍為(2.348～2.448)×105Pa。

e. 現場就近選擇合適的廠用水源(3SER203VD)，與閥前隔離區域內的疏水閥(3AHP134/135VL)用規格為D25 mm、材質為20G管道進行連接，作為系統注水、升壓水源。定值調整系統流程示意圖見圖3。

f. 在彈簧加載閥前建立隔離區，通過外接水源，按照常規安全閥整定方法，進行隔離系統注水、升壓，升壓階段完成隔離邊界嚴密性檢查，若邊界閥門存在泄漏，需要進行處理后再進行后續工作。

g. 當觀察到壓力表顯示明顯下降、輔助觀察用軟管水位下降、閥后觀察到有水流出，則確認彈簧閥動作，若閥門動作壓力在(2.348～2.448) ×105Pa范圍內，則壓力定值調整合格；若不在合格范圍內，則排空閥后管道、閥體內殘水后，對壓力定值進行微調整，重新進行打壓、驗證工作，直至壓力定值調整滿足要求。

圖3 閥門臨時安裝設備簡圖

3.2.3 現場實施步驟

a. 辦理相關工作票，完成彈簧加載閥彈簧組件更換、閥門回裝、彈簧整定壓力定值初調、打壓用水管線連接等工作。

b. 建立隔離區域，將高壓給水加熱系統與相連接系統進行隔離。

c. 開啟SER注水閥3SER203VD、3AHP134/135VL對閥前系統管線進行充水、排氣，管線上排氣閥門排氣結束后關閉，臨時閥001VL/002VL維持打開。

d. 當彈簧閥前管線充水完畢，觀察10 min左右進行系統密封檢查，若壓力表讀數、軟管水位無明顯變化，則繼續進行后續操作。

e. 當002VL后透明塑料軟管有液位顯示后，緩慢調整注水閥3SER203VD至50%左右開度進行管線升壓；當壓力表讀數為2.0×105Pa時，調整注水閥至20%左右開度緩慢升壓；壓力表讀數接近設定值2.348×105Pa，關小注水閥緩慢提高壓力0.1×105Pa，觀察壓力表壓力、軟管水位變化。

f. 當壓力表讀數明顯下降、內窺鏡觀察閥后漏水、軟管水位突降，則彈簧加載閥動作，確認壓力定值是否合格。本項目首次升壓至2.333×105Pa時彈簧加載閥動作，結果不合格。

g. 根據F=Kx公式計算出繼續壓縮量L=264*(2.348-2.333)/2.348=1.7 mm，現場完成彈簧閥定值微調整。

h. 排空閥后殘水后，重新進行c～f步驟，再次驗證閥門動作值為2.356 8×105Pa，在(2.348～2.448)×105Pa合格范圍內，結果合格。

i. 彈簧加載閥定值調整工作結束后系統排水，并完成正式管道的恢復。

3.2.4 實施效果

3AHP008VL彈簧加載閥彈簧組件+在線整定方案現場付諸實施后，在100%Pn工況下驗證，高壓給水加熱器出口溫度與ARE入口溫度偏差1.9 ℃，機組出力滿足設計要求。

4 結束語

目前國內電廠中對安全閥(外置彈簧閥)的在線校驗技術成熟[5]，但內置彈簧類閥門定值在線整定一直是發電廠的一個技術盲點，本項目的成功實施，為后續此類問題解決開辟了道路，提供了經驗。另外，在核電機組長期運行定檢中，對于無法離線拆檢的大型閥門，該項目方法具有潛在的推廣性。