重水供應系統公共回流閥失效分析及應急處理

袁小魏，李平原

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

秦山核電基地70 萬生產單元是引進加拿大的重水堆機組，稱為CANDU 6 型重水堆[1]，其一大特點就是不停堆換料，在反應堆運行時由A，C 兩側裝卸料機分別連接燃料通道的兩端相互配合進行不停堆換料。這種重水堆不僅慢化劑是重水，冷卻劑也是重水，因此與主系統相連的裝卸料機系統內的介質也是重水。

裝卸料機重水供應系統的功能是為裝卸料機提供一定壓力、溫度、流量的重水，在保障裝卸料機料倉內乏燃料冷卻的同時，提供裝卸料機水回路操作的動力[2]。公共回流閥在重水供應系統壓力控制過程中用于保持公共集管壓力在預整定值不變，在第二臺泵的啟動或停止時，用于減弱附加于系統的擾動。若該閥門控制失效，會引起泵的輸出壓力快速增加，重水泵出口安全閥起跳，使重水直接噴灑至地面，引起反應堆廠房氚水平的意外大幅度升高和重水的損失；甚至對乏燃料冷卻、主熱傳輸系統壓力邊界完整性產生一定的影響。

因此分析公共回流閥失效原因及應急處理對于換料系統的正常運行有著重要的意義。

1 重水供應系統功能

1.1 重水供應系統運行模式

1.1.1 裝卸料機運行模式

根據整個換料過程裝卸料機所處的不同工況，設計上，裝卸料機有幾種不同的運行模式，用來滿足功能要求。

（1）燃料傳輸模式。裝卸料機在新燃料通道裝載新燃料、在乏燃料通道卸除乏燃料或在輔助通道進行維修操作期間處于這種運行模式。該模式下，裝卸料機料倉的壓力設定點為0 MPa，處于堰壩液位。

（2）停車模式。裝卸料機在反應堆與維修區之間運動和換料間隙的無其他操作的狀態時處于停車模式。該模式下，裝卸料機料倉壓力設定為3.1 MPa，料倉滿液位。

（3）離堆模式。裝卸料機抱卡在反應堆通道上，密封塞尚未取出時的運行模式，稱為堆下模式。該模式下，處于反應堆通道上游的裝卸料機料倉壓力設定為11.38 MPa，處于反應堆通道下游的裝卸料機料倉壓力設定為10.48 MPa。

（4）在堆模式。裝卸料機抱卡在反應堆通道上，管嘴塞、密封塞都已經取走，裝卸料機與反應堆通道連同的運行模式，稱為堆上模式。此時，料倉壓力與通道壓力相同。回流管線上的料倉壓力控制閥處于全關狀態，所有裝卸料機重水閥站的供給流量都從機頭料倉注入反應堆通道。

1.1.2 重水供應系統壓力控制模式

為滿足上述裝卸料機不同運行模式的需要，裝卸料重水系統壓力控制設計有4 種控制模式（表1）。

表1 裝卸料機重水供給系統和重水閥站的壓力設定點

1.2 重水供應系統壓力控制原理

重水供應系統組成部分影響或構成了壓力控制系統的一部分（圖1），主要包括2 臺重水泵（4-1，4-2）、阻尼器（3-1，3-2，6-1，6-2）、逆止閥（9-1，9-2）、壓力控制閥（10-1，10-2，10-3，10-4）和公共回流閥（14）。另外，旁路熱交換器（13）在系統中也會引起一個小的但明顯的壓降。整個系統由3 個壓力變送器（11-1，11-2，11-3）和3 個對應的數字調節器及上述的壓力控制閥和相關的開關、指示燈組成。一個單獨的數字壓力調節器經公共回流閥控制2 個工藝系統的公共壓力，公共壓力由壓力變送器11-1 測量。

為維持重水泵出口壓力控制，重水供應系統設計了公共母管環路。該公共母管環路在A/C 兩側輸出環路之間作為吸收壓力擾動的環路，公共母管環路通過控制公共回流閥的開度來保持公共母管的壓力穩定在設定值附近。公共回流閥在A，C 側系統輸出供應之間作為解除連接的機械裝置，確保一側的壓力擾動不會嚴重影響另一側的壓力控制，同時也不會由于兩個系統之間的相互影響嚴重減弱系統控制的穩定性。另外，在異常工況中一臺重水泵運行，另一臺泵的啟動或停止時，它也幫助減弱附加于系統的擾動。

圖1 重水供應系統壓力控制原理圖

為防止泵出口壓力（公共母管壓力）超過設定值，在每個重水供給泵出口安裝了一臺安全閥，安全閥的設定點為18.62 MPa，給系統提供過壓保護功能。

其中，1——低壓過濾器，2——隔離閥，3——低壓阻尼器，4——重水泵，5——泄壓口，6——高壓阻尼器，7——安全閥，8——高壓過濾器，9——逆止閥，10——壓力控制閥，11——壓力變送器，12——主系統重水儲存箱，13——熱交換器，14——公共回流閥

2 公共回流閥失效原因分析及處理

根據公共回流閥（廠家及型號：Fisher，667-HPS，Actuator 667-50）的結構及運行歷史，其失效故障主要集中在4 個方面：①系統運行時閥門頻繁小開度控制和閥門的頻繁動作導致閥芯及閥座環密封面的氣蝕；②閥桿填料密封泄漏；③膜片老化、損傷；④定位器等控制附件的設定值漂移。

2.1 閥芯和閥座損傷

公共回流閥靠閥桿相對于閥座的運動來調節閥門的開度不斷地節流和切斷流體，以達到控制公共回路壓力的目的，公共回流閥如圖2 所示。

閥桿與閥芯采用了螺紋旋合后通過一個過盈配合的銷釘加固的組合式結構保證剛性連接，保證閥桿與閥芯、閥籠間的同心度。在運行過程中，為維持流體穩定地流過閥門，在截面最小的斷面處，流速必須最大。當閥門關閉時，閥門前后壓差作用在閥座的密封面上，當閥芯接近閥座時，壓降很大，力量形成速度很快，若連續的在靠近閥座的位置進行節流，閥門的自激振蕩現象會導致閥座密封面的損傷。閥芯與閥座的密封面機械磨損及流體的沖刷是經常遇到的問題，而密封面因機械磨損、流體沖刷會引起閥門的內漏并會不同程度的改變閥門的流量特性。

圖2 公共回流閥

通過對出現內漏故障的公共回流閥解體發現，閥芯、閥座密封面出現了不同程度的損壞（圖3）。公共回流閥長期在小于20%的開度工作，巨大的壓差落在閥座與閥芯之間的通道上，壓力巨減的位置往往是氣蝕的關鍵位置。介質的沖刷及氣蝕作用極易導致閥芯、閥座密封面出現缺陷，而且缺陷隨運行時間的增加而逐漸惡化。此外，即使發生氣蝕、沖蝕等得破壞，也是先發生在閥芯頭部上。隨著閥芯破壞，流量增加，可以對閥門行程進行適當的調整，保證閥門再關嚴一點，這樣不斷破壞，逐步關閉，使整個閥芯全部充分利用，直到閥芯根部及密封面破壞，不能使用為止[3]。通過調整預防性維修的頻度及時更換有缺陷的閥芯、閥座可以保證閥芯及閥座密封功能。

圖3 損壞的公共回流閥閥芯

2.2 閥桿填料密封泄漏

公共回流閥閥桿填料密封采用PTFE ENNIRO-SEAL 填料系統[4]，被認為是最典型的減少泄漏排放的填料系統。根據填料密封時的壓力分布理論分析及各種填料設計的現場性能測試，得到經驗公式（1）[3]。

式中 Pr——填料的徑向壓力

P0——作用于填料壓蓋的壓力

K——填料的應力比值

d1——閥桿直徑

d0——填料函孔徑

s——填料長度（深度）

μ1——填料與閥桿之間的動摩擦因數

μ2——填料與壓蓋之間的靜摩擦因數

根據填料壓力分布的經驗公式可以得出結論：填料的徑向壓力隨填料的長度按指數規律降低。公共回流閥使用了純聚四氟乙烯的V 形填料，具有摩擦系數小，化學惰性強和自潤滑作用等優點[4]。但是，純聚四氟乙烯缺點是熱膨脹系數高，是不銹鋼的10 倍[5]，這導致填料函出現溫度變化時填料與閥桿、填料與填料函壁的間隙發生較大變化，不能保證良好密封。

因此，在檢修期間必須保證填料壓蓋螺栓力矩適中，決不能過大，如果設備投運后出現填料密封滲漏故障，可以適當緊固填料壓蓋螺栓以保證填料的徑向載荷，進而保證填料的密封性能。

2.3 膜片老化、損傷

作為公共回流閥的“中樞神經系統”，氣動執行機構起著接收控制信號并按此信號正確響應的功能，它的失效將直接導致公共回流閥失去控制流體流量的功能。

氣動執行機構內的膜片因長期承受壓縮空氣及彈簧的雙重作用而處于工作狀態，其老化、磨損是膜片型氣動執行機構主要的失效模式[6]。

膜片通常是由合成橡膠與合成纖維經模壓加工而成，因橡膠都有溫度限制和有效期限，而且對于經常承受載荷的纖維來講，抗扯斷強度、彈性等指標也將隨著時間和載荷的雙重作用而降低。檢修時應對膜片的材料、硫化日期、廠家推薦的橡膠材料的有效期進行登記并定期對接近有效期的膜片進行重點檢查，防止膜片老化而失效的故障。

磨損也是膜片失效的常見故障。造成膜片磨損的原因可能是膜片的尺寸不合適，也可能是與膜片接觸的金屬部件存在毛刺或銳邊。因此，在檢修的過程中必須要保證安裝的膜片尺寸合適，其次要保證裝配正確，減少因膜片磨損而導致閥門功能降低或失去的故障。

2.4 定位器等控制附件的設定值漂移

因定位器或電器轉換器等控制附件的設定值偏離了規定值，啟動執行機構供氣壓力減小引起閥門實際輸入與輸出的不匹配，進而導致系統流量、壓力的改變和重新分配，導致閥門的輸入、輸出偏差的進一步變化，造成閥門不穩定，這將對閥門的調節功能、壽命產生極大影響。通過對這些控制附件的檢查發現，設定值漂移故障大多是由于環境溫度、部件的老化等原因造成。這些附件的設定值漂移可以通過預防性維修來保證設備的正常功能，進而保證公共回流閥的正常調節功能。

3 公共回流閥失效應急處理

根據公共回流閥所處的位置及在壓力控制中所起到作用，以上閥門的失效形式不足以引起系統的應急響應。由于公共回流閥是失效關的閥門，若壓空供氣失去，該閥門實際位置關閉，重水供應泵出口壓力上升，主控室自動控制中顯示公共回流閥全開。

3.1 重水供應壓力設定為高壓

3.1.1 事故后果

高壓工況下，串行閥10-1，10-2（圖1）的設定開度較大，公共回流閥全關后所截斷的流量能夠通過并行閥10-3，10-4（圖1）的打開來彌補。因此該工況下，公共回流閥失效除了瞬時造成重水供應系統壓力擾動外，重水泵的出口壓力處于自動可控狀態，換料系統設備能夠正常運行。

3.1.2 異常征兆

由于公共回流閥全關，并行閥10-3，10-4 的開度將會略有增加，串行閥10-1，10-2 的開度保持不變，裝卸料機料倉壓力可能會出現小幅短時壓力波動，公共母管壓力略高于設定點，公共回流閥的閥位是100%開度，不會導致料倉壓力釋放閥動作。

3.1.3 事故處理過程

盤臺操縱員確認工況，調出顯示界面，檢查流量、壓力、溫度，如可能派現場操作員前去確認閥門開度。若兩側裝卸料機未帶有乏燃料且燃料通道未打開，直接停運重水泵，通知維修人員處理。

若裝卸料機內帶有乏燃料且燃料通道已關閉，暫停操作，確認工況穩定，裝卸料機料倉壓力和重水供給壓力沒有大的波動，通知維修人員處理。若裝卸料機抱卡在燃料通道上且通道處于打開狀態，如果燃料未推入通道，暫停操作；如果燃料已推入通道，繼續執行自動程序操作直至回裝密封塞避免燃料處于交叉流，暫不關閉通道，通知維修人員處理，等待維修人員處理完成后，繼續自動程序完成后續操作。

若維修人員無法在一定時間內完成維修工作，經授權后，編寫臨時操作票通過手動調節壓力調節閥10-1，10-2，10-3，10-4（圖1）完成后續操作。由于公共回流閥全關狀態，后續在燃料通道關閉和重水供給壓力及料倉壓力降壓時，需要手動調節兩側串行閥10-1，10-2 開度，不帶乏燃料側裝卸料機可維持在停車壓力（3.1 MPa）后暫停操作，帶乏燃料側裝卸料機在降至低壓和堰壩液位工況后，要確保重水供給壓力和料倉壓力的壓差在4 MPa 左右，C 桿流量在200 mL/min 左右，利用C 桿完成后續卸料操作。

3.2 重水供應壓力設定為中壓或低壓

3.2.1 事故后果

中壓工況下，串行閥10-1，10-2（圖1）的設定開度較小，公共回流閥全關后所截斷的流量不能完全通過并行閥10-3，10-4（圖1）的打開來彌補。該工況下瞬時可能造成重水泵的出口壓力上升，重水泵出口壓力釋放閥釋放，重水供應系統壓力隨之發生振蕩，重水泵出口壓力穩定在18.4 MPa。

3.2.2 異常征兆

公共壓力上升超過18 MPa，并行閥10-3，10-4 開度將會略有增加，串行閥10-1，10-2 開度保持不變，重水控制系統壓力出現波動。公共回流閥的閥位是100%開度，料倉壓力不會出現明顯的壓力波動但不會導致料倉壓力釋放閥動作。

3.2.3 事故處理過程

盤臺操縱員確認工況，調出顯示界面，檢查流量、壓力、溫度，如可能派現場操作員前去確認閥門開度。若兩側裝卸料機未帶有乏燃料，直接停運重水泵，通知維修人員處理。

若一側裝卸料機內帶有乏燃料，確認乏燃料未暴露在空氣中，否則，轉動料倉將乏燃料全部置于水面以下，暫停計算機自動程序操作。使用ME 模式調節不帶乏燃料側串行閥10-1 或10-2 關度，開打其開度，是公共壓力穩定在16 MPa 左右（參考值：串行閥66%開度）。通知維修人員處理。

若維修人員無法在一定時間內完成維修工作，經授權后，編寫臨時操作票通過手動調節壓力調節閥10-1，10-2，10-3，10-4（圖1）完成后續操作。

4 總結

通過分析重水供應系統壓力控制模式，總結了公共回流閥的失效形式，通過閥門的結構及運行要求分析閥門失效故障進行原因分析，并針對故障產生的機理提出了閥門失效應急處理方案，以降低公共回流閥失效帶來的不利影響，保證重水供應系統的安全穩定運行。