方家山核電站高加抽汽管道疏水閥頻繁動作原因分析及處理1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

在汽輪機高壓缸上只有一個HP6高壓加熱器抽汽口，抽汽口經(jīng)過一個總抽汽電動逆止閥AHP001VV后，分成兩路，經(jīng)過一個氣動抽汽逆止閥和一個電動隔離閥向HP6A和HP6B高壓加熱器供汽，如圖1所示。

高壓加熱器抽汽管道是由φ610 mm×14.27 mm和φ457 mm×12.7 mm的管道組成(管道長度約50 m，彎頭約8個，閥門3個)；蒸汽在抽汽管道內(nèi)行進的過程中，遇到溫度稍低的管壁、彎頭或閥門時，會凝結(jié)成凝結(jié)水，所以在抽汽逆止閥(AHP103、203VV)的前、后抽汽管道上安裝疏水罐，對抽汽管道內(nèi)的凝結(jié)水進行疏水。疏水罐的疏水有兩路設(shè)計，一路疏水經(jīng)過疏水罐直接排放至集水漏斗后放水至SEK系統(tǒng)；另一路疏水通過疏水罐液位計控制的氣動疏水閥(如AHP520、507、530、512VV)直接排放至凝汽器疏水集管；另外在疏水罐疏水閥也設(shè)置了旁路疏水，旁路疏水是通過倒置桶式疏水器[1]進行疏水，以減少疏水閥的動作次數(shù)。正常運行情況下，疏水罐的疏水主要是靠旁路疏水器進行疏水，在疏水器疏水來不及時啟動氣動疏水閥進行疏水。

1 抽汽管道疏水閥的結(jié)構(gòu)與原理

HP6高加抽汽管道疏水閥1/2AHP507/512/520/530VV為美國FLOWSERVE公司生產(chǎn)的Y型直通式氣動截止閥，現(xiàn)場安裝為閥門進出口水平安裝；其執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計為“氣關(guān)式”。當加載關(guān)閉信號時，定位器通過電磁閥進氣至氣缸的上腔，推動隔膜向下關(guān)閉閥門；當加載開啟信號時，定位器通過電磁閥失電排氣，使閥門在彈簧力(閥門關(guān)閉時，氣缸內(nèi)的彈簧處于壓縮狀態(tài))的作用下迅速開啟。疏水罐疏水閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 HP6高壓加熱器抽汽系統(tǒng)流程圖

圖2 1/2AHP520VV氣動疏水閥結(jié)構(gòu)圖[2]

疏水閥的閥體主要由Y型閥體、閥桿、閥芯、閥座、螺紋式閥蓋等部件組成，其中，閥芯是通過卡銷和閥桿下部凹槽(卡銷固定后焊死在閥芯側(cè)面)固定在閥桿上，閥芯可旋轉(zhuǎn)和微量的晃動，從而滿足閥芯的自動對中找正。

2 閥門故障描述

長期以來，方家山核電站1、2號機組HP6高壓加熱器抽汽管道疏水閥多次出現(xiàn)閥門頻繁開啟的缺陷；以1/2AHP520VV日常期間所報缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，疏水閥頻繁開啟的缺陷次數(shù)達到14次，其中以2AHP520VV疏水閥動作最為頻繁，約90 s動作一次，如圖3所示。

疏水閥的異常頻繁動作會導致閥門的壽命降低，同時會引發(fā)其他形式的缺陷，如填料漏水、氣缸隔膜漏氣、閥桿拉毛、閥芯吹蝕嚴重、閥后管道焊縫裂紋等，具體數(shù)量統(tǒng)計如圖4所示。其中，除了閥門頻繁動作缺陷外，填料漏水缺陷出現(xiàn)的頻度最高，為8次。另外，據(jù)內(nèi)、外部經(jīng)驗反饋，福清1～4號機組、紅沿河核電站5、6號機組HP6高壓加熱器抽汽管道疏水閥也同樣出現(xiàn)上述的問題。

圖3 2AHP520VV抽汽管道疏水閥動作情況示意圖

圖4 1/2AHP520VV疏水閥故障統(tǒng)計

3 故障原因分析

HP6高加抽汽管道疏水閥多次出現(xiàn)閥門頻繁動作的故障，可能導致疏水閥多次出現(xiàn)上述故障的原因有很多。本文主要從疏水閥的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行工藝參數(shù)、疏水閥旁路疏水器的疏水能力，疏水管線布置等方面進行詳細分析，找出疏水閥頻繁動作的根本原因，為后續(xù)缺陷的處理提供參考依據(jù)。

導致抽汽管道疏水閥頻繁動作的可能原因有：

1)疏水器的濾網(wǎng)或出口閥可能被異物堵住，導致疏水器的疏水能力降低。

2)抽汽管道疏水閥的旁路疏水器本身的疏水能力不足，凝結(jié)水無法及時排出。

3)旁路疏水器距離疏水罐的距離較遠，彎頭較多，管徑較小，導致壓降較大，可能會在疏水器的前端產(chǎn)生閃蒸，增加了氣阻，導致疏水器的疏水能力降低。

通過對旁路疏水器的全面解體，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)干凈、疏水器內(nèi)部的出口閥閥座位置無異物，故排除異物堵塞疏水器的可能；故以下重點從旁路疏水器的疏水能力和疏水管線的布置等兩方面進行分析。

3.1 旁路疏水器的疏水能力不足

根據(jù)疏水罐的直徑(0.273 m)和液位計的高報、高高報的定值計算抽汽管道疏水閥旁路疏水器2AHP002PU分別投入和被隔離時兩種工況下疏水閥2AHP520VV的疏水量，兩者相減即可得出旁路疏水器的實際疏水量。另外，根據(jù)HP6抽汽管道的蒸汽流量和濕度，可計算出抽汽管道的凝結(jié)水量。并通過將疏水器的實際疏水量和抽汽管道的凝結(jié)水量進行對比分析，當疏水器的疏水量大于抽汽管道的凝結(jié)水量，則表示疏水器的疏水能力能夠滿足要求，反之則疏水器的疏水能力不足。兩種工況下2AHP520VV的動作情況參數(shù)如表1所示。

表1 兩種工況下2AHP520VV的動作情況參數(shù)

根據(jù)抽汽管道凝結(jié)水量的經(jīng)驗計算公式：C=流量×濕度×20%；其中，20%為預測析出的疏水量百分比。表2是由華東電力設(shè)計院給出的HP6抽汽管道在汽機不同負荷下的疏水量，在汽機滿負荷運行情況下，第六級抽汽管道的凝結(jié)水量達到6.65 t/h。

表2 HP6抽汽管道在汽機不同負荷下的疏水量

由表2可知，旁路疏水器2AHP002PU的實際疏水量要遠小于抽汽管道的凝結(jié)水量，所以疏水器的疏水能力不能滿足現(xiàn)場抽汽管道的疏水要求，即現(xiàn)有的疏水器的疏水能力不足。

3.2 疏水管線布置不合理

抽汽管道疏水閥及其旁路疏水器所在疏水管線的長度、管徑、彎頭、三通、閥門等都會不同程度的增加冷凝水的流阻，其中，管線越長、管徑越小、彎頭三通閥門等數(shù)量越多，流體的流阻越大，在管線中形成的壓降也就越大。由于管線中的介質(zhì)為飽和凝結(jié)水，飽和凝結(jié)水減壓時會形成閃蒸蒸汽，會在疏水器的進口形成氣阻；而倒置桶型蒸汽疏水器是利用冷凝水和蒸汽的密度差來進行工作的，蒸汽進入倒置桶內(nèi)時，疏水器的出口閥關(guān)閉，導致無法正常進行疏水，從而影響了疏水器的疏水能力。由3.1小節(jié)分析可知，旁路疏水器2AHP002PU的實際疏水量為0.5 t/h，小于其設(shè)計疏水量0.9 t/h，該結(jié)果也驗證了管線布置對疏水器疏水能力的影響。所以在疏水器選型過程中要預留一個2～3倍的安全系數(shù)，且疏水器盡量要靠近疏水罐來安裝。表3所示的是2AHP002/003/005PU疏水器所在管線的一些特征參數(shù)。

表3 2AHP002/003/005PU疏水器所在管線的特征參數(shù)

由表3可知，2AHP002PU疏水器至第六級抽汽管道疏水罐的總長度達到35 m，該段管線中彎頭數(shù)量達13個，截止閥1個，三通1個。另外，疏水器旁路的管徑通過變徑三通由DN50 mm變成了DN40 mm。

另外，從表3中可以明顯看出，HP6高加抽汽管道疏水管線中同型號疏水器，同樣的疏水管徑，在管線較短和彎頭數(shù)量較少的疏水管線上，疏水閥兩次動作間隔的時間較長，說明所在管線的疏水器的疏水能力稍強一點。

從上述分析可知，疏水管線布置不合理(即疏水管線長、彎頭較多等)確實可能降低了疏水器的疏水能力。

3.3 其他故障缺陷的原因分析

除了疏水閥頻繁動作的缺陷外，由閥門頻繁動作導致的其他故障缺陷還有：閥后管道焊縫裂紋、氣缸隔膜損壞、填料漏水，閥桿磨損、閥芯吹蝕等。

以動作頻度最高的疏水閥2AHP520VV為例來進行分析。由表3可知，從上一次閥門的關(guān)閉到下一次閥門關(guān)閉的間隔時間大約為100 s。按照方家山機組短燃料循環(huán)(大約300 d)的時間來計算，在一個短燃料循環(huán)周期內(nèi)該閥門大約需要動作259 200次。任何一個閥門如此頻繁的動作，都會大大降低閥門的性能和各部件的壽命，從而以不同的缺陷形式表現(xiàn)出來。下面逐一對上述的故障進行簡單分析。

抽汽管道疏水閥閥后管道如圖5所示，是一個三通，水平出口端被焊接式封頭堵死，出現(xiàn)裂紋的焊縫位于三通下方出口與管道的連接處。

圖5 抽汽管道疏水閥閥后管道示意圖

HP6高壓加熱器抽汽管道疏水閥在系統(tǒng)上的實際運行參數(shù)如表4所示。

表4 HP6高加抽汽管道疏水閥系統(tǒng)工藝參數(shù)

由表4數(shù)據(jù)可知，該閥門的前、后壓差約為1.8 MPa，溫度約為218 ℃，在閥門開啟的一瞬間，管道內(nèi)的水會出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，導致閥門及管道振動大，并對閥后管道焊縫產(chǎn)生沖擊；另外，疏水閥異常頻繁動作，使得焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋；同樣，高速蒸汽對閥芯、閥座產(chǎn)生吹蝕。

閥門的頻繁動作使得氣動執(zhí)行機構(gòu)中的隔膜壽命降低，尤其是在推桿和隔膜連接處易對隔膜造成損壞。

疏水閥閥門的結(jié)構(gòu)為Y型，閥桿傾斜安裝，閥桿的重心下移，在疏水閥不斷的開關(guān)過程中，使得閥門填料磨損嚴重，導致閥門填料漏水；填料磨損后，閥桿偏離疏水閥螺紋閥蓋的中心，導致閥桿與螺栓閥蓋的中心孔摩擦，從而導致疏水閥閥桿的磨損、拉毛。

4 故障處理

根據(jù)上述的原因分析結(jié)果可知，疏水閥的頻繁動作主要是由于疏水閥的旁路疏水器疏水能力不足和疏水管線布置不合理導致的。所以根據(jù)分析結(jié)果針對性的提出有效的解決方案，如疏水閥旁路疏水器換型來提高疏水閥旁路的疏水能力，通過疏水管線的合理布置，來降低管線壓降和流阻對疏水器疏水能力的影響。

4.1 提高旁路疏水器的疏水能力

根據(jù)3.1節(jié)分析可知，現(xiàn)有旁路疏水器的設(shè)計疏水量無法滿足現(xiàn)場抽汽管道的疏水量要求。需要進行疏水器的換型來提高疏水器旁路的疏水能力，從而從一方面解決或改善抽汽管道疏水閥頻繁動作的問題。

由3.1分析可知，當旁路疏水器2AHP002PU被隔離時，第六級抽汽管道疏水罐在平均49 s的時間內(nèi)，將液位從500 mm下降到200 mm，2AHP520VV的疏水量達到1.29 m3/h；根據(jù)設(shè)計，旁路疏水器的疏水量為0.9 t/h。所以可知，第六級抽汽管道疏水罐實際總的疏水量大約為2.19 t/h。

根據(jù)疏水器的選型原則[2]，疏水器的理論設(shè)計疏水量為：(2～3)×管線的實際疏水量，其中2～3倍為疏水器的安全系數(shù)，建議選擇的疏水器的理論設(shè)計疏水量為4.4～6.6 t/h。

所以采用理論設(shè)計疏水量為6 t/h的倒置桶型蒸汽疏水器(型號為：996F-11/32 DN50 mm)，來提高疏水器旁路的疏水能力。

另外，在現(xiàn)場空間允許和保留原來疏水器的情況下，還可以考慮在抽汽管道疏水閥旁路上再并聯(lián)一路疏水器，從而增大疏水閥旁路的疏水能力。

4.2 疏水管線的合理布置

另一種能夠改善或者解決抽汽管道疏水閥頻繁動作問題的方法是，進行疏水罐疏水管線的合理布置。通過縮短疏水罐至疏水器疏水管線的長度(即將疏水器盡量靠近疏水罐安裝)、減少管線彎頭數(shù)量、增大疏水器旁路的管徑等，來有效的改善由于上述原因造成的管線壓降，從而減少或消除由于管線壓降或形成氣阻導致的飽和凝結(jié)水閃蒸對疏水器疏水能力的影響。

另外，在疏水管線布置時，注意管線的進口端一定要比出口端的位置要高，且中間管線的走向呈水平或最好呈下降式布置，避免增大介質(zhì)在管線中的流阻。

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，充分考慮現(xiàn)場空間以及原來管線的布置問題，方家山核電站1、2號機組從增大疏水旁路管徑(由DN40 mm增大到DN50 mm)，減少疏水器旁路的彎頭數(shù)量和管線長度，來改善疏水管線壓降；增大旁路疏水器的疏水量(即疏水器換型)，從而提高旁路疏水器的疏水能力，有效的解決了抽汽管道疏水閥頻繁動作等故障。

5 結(jié)論

在方家山核電站HP6高壓加熱器抽汽管道疏水頻繁動作故障的處理中，從抽汽管道疏水閥的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行工藝參數(shù)、旁路疏水器的疏水能力、疏水管線的實際疏水量、疏水管線布置等方面進行原因分析，找出了高加抽汽管道疏水閥出現(xiàn)頻繁動作的根本原因為旁路疏水器疏水能力不足和疏水管線布置不合理等，所以提出了旁路疏水器換型、疏水管線的合理布置等有效的應對策略，成功解決了疏水閥頻繁動作故障及其他缺陷問題，為以后此類類似故障分析及處理提供參考。同時，解決抽汽管道疏水閥頻繁動作故障，穩(wěn)定機組出力，保障了機組安全穩(wěn)定運行。