穩壓器壓力控制閥內漏分析及改進

楊勝凱，周曉明，張小輝

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

某重水核電廠穩壓器壓力控制閥每次運行周期內都會出現嚴重的沖蝕損壞，大修更換新閥芯閥座后數月內就會再次出現明顯的內漏跡象，損失熱能影響下游除氣冷凝器壓力控制。內漏如果擴展過快將導致機組停機停堆，是嚴重危害機組安全的重大隱患。核查羅馬尼亞、韓國等重水堆該閥門的使用情況，發現所有電廠都存在該閥門密封面沖損現象，都沒有得到很好的治該。對此，逐項分析引起閥門密封面損壞的原因，總結已經完成的改進工作，提出具有可行性的閥門結構和材料改進方案。

1 閥門損壞原因分析

從拆卸下損壞的閥芯形貌分析（圖1），密封面損壞處有密集的介質沖刷溝槽，引起閥門密封面損壞的直接原因為蒸汽介質的沖刷切割。深入研究閥門的設計、材料、系統工況后，認為閥門損壞的原因有4 個。

1.1 頻繁啟閉

主系統穩壓器壓力控制閥的作用是控制穩壓器壓力，穩壓器正常工作壓力9.69 MPa，當穩壓器壓力＞9.89 MPa時，穩壓器壓力控制閥開啟降壓。

圖1 閥芯密封面沖刷

機組每星期進行數次換料操作，換料時裝卸料機向燃料通道注入約3 kg/s 流量的重水，使穩壓器液位上升，壓縮穩壓器的氣空間，導致壓力上升，壓力控制閥開啟降壓，換料期間該閥門不斷的啟閉以維持穩壓器壓力恒定。另外，部分換料工作開展時，要求先降低部分機組功率，功率上升時容易導致穩壓器液位上升，壓力控制閥開啟降壓。

1.2 啟閉時密封面壓降大

閥門動作時閥門進口壓力約9.89 MPa，閥門出口為除氣冷凝器壓力約1.05 MPa，閥門進出口壓差達8.84 MPa。閥門無抗汽蝕及抗噪聲輔助部件，閥門啟閉瞬間，壓降幾乎全部集中在密封面，壓降過大導致局部蒸汽介質流速超高，沖損密封面。

1.3 閥芯導向能力不足

閥門導向環和閥桿的配合間隙要求（0.26～0.41）mm，導向環固定在閥蓋上，閥蓋和閥體安裝后會產生對中誤差。閥座靠螺紋旋緊在閥體上，閥座安裝后與閥門中心線也會產生偏差，閥門最終裝配后，經過多次誤差累計，閥芯中心線將與閥座中心線產生較大的對中偏差。閥芯導向結構見圖2。

圖2 閥芯導向結構

當閥門關閉時閥芯在介質的高速沖擊下將偏向閥門一側，導向間隙大及導向中心線與閥座中心偏差大會導致閥芯密封面和閥座密封面在初步接觸時有較大偏心，偏心導致流場形狀復雜進而加劇介質的紊流狀態，閥門更容易產生初始損壞。

1.4 密封面材料不適應此種工況

閥芯及閥座材料為ASTM A564 GR630 H1075，閥芯、閥座表面未經過特殊的強化處理，直接面對高速蒸汽沖刷，不能長久使用，逐漸發生損壞。

2 預防與改進

針對閥門損壞原因采取的改進與預防措施：降低閥門啟閉頻度，降低閥門密封面處壓差，改進閥門導向設計，提高閥門密封面材料的抗沖蝕能力。

2.1 降低閥門啟閉頻度

穩壓器壓力控制閥頻繁動作的主要原因之一是換料時裝卸料機打開燃料通道向主系統注入重水。從平衡該流量考慮，注入重水時，通過信號觸發主系統壓力裝量控制系統主動減小上充閥的開度，平衡裝卸料機注入主系統的流量，保持穩壓器的液位穩定，避免穩壓器壓力控制閥頻繁動作。

改進后，閥門動作頻率降低50%以上，延長了閥門初始缺陷形成的時間。機組換料時堆功率上升階段引起的穩壓器壓力上升是穩壓器的設計功能，現無方法完全穩定穩壓器壓力，穩壓器壓力控制閥仍會較頻繁的動作。

2.2 降低閥門密封面壓降

閥門開啟和關閉瞬間，壓降集中在閥門密封面而出現嚴重的沖損現象。根據流體的基本特性可知，壓降越大，介質的流動速度越大，介質對密封面的沖蝕越嚴重，改進閥門結構，使閥門關閉時，介質壓降由導向處的間隙分擔。

閥座增加凸出導向（圖3），導向和閥芯間隙控制在現有導向的1/2 左右，閥門在小開度時，由于導向間隙處的節流分擔閥門的壓降，閥門密封面沖損概率將極大降低。

增加導向節流凸臺，閥門全開時流量降低，因閥門設計時有一定的裕量，改進設計可行，但需設計單位嚴格論證閥門的最大流量是否滿足系統的安全需要。

圖3 閥門增加導向后關閉瞬間

2.3 改進閥門導向設計

在閥座上增加凸臺，依靠閥座對閥芯進行定位，使閥芯中心線和閥座中心線保持一致，并適量降低導向間隙，使閥座具有更精確的導向作用，保證閥芯關閉時與閥座同心配合。

在該核電廠使用的類似型號的控制閥中發現有部分閥門的閥芯外徑比閥芯大50%左右，但導向間隙只有該閥的1/2。有成功案例，可以進行嘗試。

2.4 提高閥芯閥座密封面材料的抗沖蝕能力

目前密封面材料ASTM A564 GR630 H1075 為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，簡稱17-4PH。雖然該材料是一種優秀的抗沖蝕、抗氧化、抗磨損材料，但現場應用仍不能滿足工況，使用較短的時間就出現沖損缺陷。

根據現有的研究實驗，密封面表面沖損量與材料本身的硬度有直接關系，試驗兩種材料處理方法增加密封面表面硬度。

（1）表面噴涂可行性探討。目前國外某廠家采用一種RiTech 高速燃料噴涂技術，在金屬基體表面噴涂RiTech31（主要含Cr3C2 及Ni-Cr）后，可使部件表面硬度達到（68～72）HRC，且在高溫下表面硬度受影響很小，具有極強的抗沖蝕、抗磨損、低摩擦性能。噴涂在表面的合金不含Co 材料，未預見到有不利影響，可以嘗試在重水機組應用。

（2）表面滲氮可行性探討。目前國內已有相關機構對17-4PH 進行等離子體滲氮進行過研究。通過滲氮處理使不銹鋼基體獲得的滲氮層由兩部分構成，外層為比較質密的化合物，緊接著為擴散層。化合物層因氮和鉻原子的偏聚及氮化物顆粒的彌散分布等因素的影響，表面硬度大幅提高。采取滲氮工藝處理閥芯閥座密封面尚未預見有不利影響，可以嘗試在重水機組應用。

3 結語

核電廠穩壓器壓力控制閥密封面頻繁出現的嚴重沖損缺陷，嚴重危害重水機組安全。缺陷的主要成因是閥門頻繁啟閉、閥門密封面處壓降過高、閥門閥芯導向能力不足、閥門密封面材料不適應現場工況。已通過改進系統設計降低了閥門的頻率動作；提出了閥門結構和材料的改進方法，有望大幅改善閥門性能，提高機組的安全可靠性。