核電廠主給水調(diào)節(jié)閥異常波動(dòng)現(xiàn)象分析及治理

朱友學(xué)，李遠(yuǎn)林，余孝德

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

1 主給水調(diào)節(jié)閥功能介紹

核電廠二回路的給水來(lái)自除氧器，依次經(jīng)過(guò)主給水泵、高壓加熱器、主給水調(diào)節(jié)閥，最終流入蒸汽發(fā)生器與一回路冷卻劑換熱。主給水調(diào)節(jié)閥的功能是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的給水流量從而維持蒸發(fā)器正常的2.4 m 液位，用于調(diào)節(jié)二回路給水流量的調(diào)節(jié)閥有兩種：主給水調(diào)節(jié)閥、旁路給水調(diào)節(jié)閥。其中，旁路調(diào)節(jié)閥僅在機(jī)組停機(jī)時(shí)蒸發(fā)器逆流冷卻工況投用，機(jī)組運(yùn)行工況則由主給水調(diào)節(jié)閥承擔(dān)二回路給水流量的調(diào)節(jié)作用。考慮主給水調(diào)節(jié)閥的重要性，電站將其列為關(guān)鍵敏感設(shè)備。

主給水調(diào)節(jié)閥由瑞士CCI 公司生產(chǎn)，型號(hào)為100D400，采用迷宮式調(diào)節(jié)組件，也稱閥籠，介質(zhì)通過(guò)閥籠內(nèi)部流入閥腔，經(jīng)過(guò)迷宮式流道再流出，迷宮式閥籠可起到對(duì)介質(zhì)多級(jí)降壓和均壓作用，降低介質(zhì)的擾動(dòng)。主給水調(diào)節(jié)閥采用閉環(huán)控制模式，參與控制主給水調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)有三部分：蒸發(fā)器液位偏差、蒸汽發(fā)生器汽水失配情況、主給水泵流量過(guò)載限值，其中蒸發(fā)器液位偏差作為主要影響因素（圖1）。

2 主給水調(diào)節(jié)閥故障描述及分析

2.1 主給水調(diào)節(jié)閥頻繁波動(dòng)現(xiàn)象

某核電廠運(yùn)行期間，主給水調(diào)節(jié)閥2LAB20AA211 在二回路穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)異常波動(dòng)，表現(xiàn)為閥位在短時(shí)間內(nèi)大幅度高頻率振蕩，同時(shí)蒸發(fā)器液位無(wú)法維持且下行，給水流量跟隨波動(dòng)，控制偏差逐漸增大（圖2）。閥門經(jīng)過(guò)一段振蕩后又自行恢復(fù)，各系統(tǒng)參數(shù)再次恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，期間無(wú)操縱員干預(yù)。

圖1 主給水調(diào)節(jié)閥

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上述主給水調(diào)節(jié)閥異常波動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生頻次呈上升趨勢(shì)，從最初每周一次發(fā)展到每天1～2 次，持續(xù)時(shí)間約3～4 min。閥位異常波動(dòng)會(huì)影響給水流量變化，對(duì)蒸發(fā)器液位的控制能力也會(huì)下降，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，蒸發(fā)器液位下降到2.30 m 或高于2.55 m 將觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，繼續(xù)惡化可能引起機(jī)組跳停。另外從主給水調(diào)節(jié)閥設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行考慮，閥門長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱，內(nèi)部的熱敏保護(hù)裝置動(dòng)作，導(dǎo)致主給水調(diào)節(jié)閥無(wú)法操作。

圖2 主給水調(diào)節(jié)閥異常波動(dòng)曲線

2.2 主給水調(diào)節(jié)閥更換工作點(diǎn)

旁路給水調(diào)節(jié)閥在機(jī)組運(yùn)行期間不參與調(diào)節(jié)且閥門處于關(guān)位，為驗(yàn)證主給水調(diào)節(jié)閥頻繁波動(dòng)現(xiàn)象是由于當(dāng)前工作點(diǎn)造成，將旁路給水調(diào)節(jié)閥2LAB20AA212 開(kāi)啟至50%開(kāi)度，同時(shí)主給水調(diào)節(jié)閥2LAB20AA211 的閥位自動(dòng)從72.4%下降至70.2%，此后閥門運(yùn)行一段時(shí)間未發(fā)生異常波動(dòng)現(xiàn)象，但閥位曲線整體呈現(xiàn)不對(duì)稱且向上偏差，相同脈沖命令閥門關(guān)向動(dòng)作量小于閥門關(guān)向動(dòng)作量，閥門動(dòng)作時(shí)伴隨異聲。

圖3 主給水調(diào)節(jié)閥閥位曲線

2.3 閥門解體檢查

由于閥門本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，閥芯受介質(zhì)的作用力是不平衡的，這部分的不平衡力等于閥桿作用面積與系統(tǒng)壓力乘積，一定程度上影響閥門關(guān)向動(dòng)作量，對(duì)比其他通道的主給水調(diào)節(jié)閥的閥位曲線并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，也表明2LAB20AA211 閥門可能在關(guān)向阻力較大或電動(dòng)機(jī)構(gòu)出力下降。

主給水調(diào)節(jié)閥要求控制蒸發(fā)器液位非常精確，各部件的異常可能導(dǎo)致閥門的阻力增大，其中參與閥門傳動(dòng)的部件包括閥桿螺母、軸承、碟簧、閥桿，對(duì)各部件進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常；閥門的調(diào)節(jié)組件包括閥籠、閥芯、壓環(huán)，閥籠側(cè)部的周身分布了呈規(guī)則排列的方形流道，閥芯上下運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)方形流道面積以控制給水流量，閥芯與閥籠內(nèi)壁、壓環(huán)內(nèi)壁存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若內(nèi)部有突出物可能引起表面劃傷，影響閥門動(dòng)作性能。實(shí)際檢查2LAB20AA211的閥芯、閥籠、壓環(huán)的導(dǎo)向面，無(wú)影響其動(dòng)作性能的缺陷。

2.4 閥門導(dǎo)向塊對(duì)閥門動(dòng)作性能的影響

主給水調(diào)節(jié)閥的閥桿由上閥桿、下閥桿組成，下閥桿與閥芯連接用于操作閥芯動(dòng)作，上閥桿設(shè)計(jì)有傳動(dòng)螺紋，與閥桿螺母配合將扭矩轉(zhuǎn)換成軸向開(kāi)關(guān)力，上、下閥桿通過(guò)聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器兩側(cè)安裝有導(dǎo)向塊，導(dǎo)向塊半插入在軛架的軌道槽內(nèi)，其作用是在閥門動(dòng)作時(shí)導(dǎo)向塊受軛架軌道支撐以防止閥桿跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)向塊在軛架軌道上滑動(dòng)，與軌道作用面產(chǎn)生摩擦，這部分阻力也會(huì)影響閥門的整體性能。

圖4 軛架裝配

主給水調(diào)節(jié)閥的軛架兩側(cè)各安裝了2 只導(dǎo)向塊，閥門動(dòng)作時(shí)兩只銅塊分別受軌道的支撐作用，這樣設(shè)計(jì)可保證閥桿動(dòng)作時(shí)徑向受力平衡，避免閥桿出現(xiàn)徑向位移。閥門開(kāi)向和關(guān)向動(dòng)作時(shí)由于閥桿產(chǎn)生換向，導(dǎo)向塊與軌道的作用面也相應(yīng)轉(zhuǎn)向另一側(cè)，即閥門開(kāi)關(guān)時(shí)的作用面并不是同一面（圖5），主給水調(diào)節(jié)閥的導(dǎo)向塊材質(zhì)為銅合金，具有很好的自潤(rùn)滑性能，對(duì)閥門的阻力影響較小，但銅合金的表面狀態(tài)會(huì)對(duì)主給水調(diào)節(jié)閥性能產(chǎn)生影響。

檢查2LAB20AA211 導(dǎo)向塊和軌道槽發(fā)現(xiàn)存在以下缺陷：①導(dǎo)向塊在閥門關(guān)向的作用面有明顯劃傷痕跡，對(duì)應(yīng)的軛架軌道槽也有異物；②原涂抹在軌道和導(dǎo)向塊作用面的潤(rùn)滑脂干涸變質(zhì)且較硬；③測(cè)量?jī)蓚?cè)的導(dǎo)向塊寬度發(fā)現(xiàn)尺寸不一致，兩只導(dǎo)向塊分別距離軛架軌道的間隙不同。

導(dǎo)向塊和軛架的檢查結(jié)果表明，造成閥門關(guān)向動(dòng)作異常的直接原因?yàn)閷?dǎo)向塊作用面被劃傷，雖然銅合金有較好的自潤(rùn)滑性，但材質(zhì)本身偏軟易劃傷，進(jìn)而表現(xiàn)出主給水調(diào)節(jié)閥整體動(dòng)作有卡阻現(xiàn)象。由于主給水調(diào)節(jié)閥需要準(zhǔn)確地控制蒸發(fā)器液位，要求調(diào)節(jié)精度較高，導(dǎo)向塊狀態(tài)輕微惡化也會(huì)對(duì)閥門產(chǎn)生影響。

主給水調(diào)節(jié)閥導(dǎo)向塊失效機(jī)理有兩個(gè)。

圖5 導(dǎo)向塊與軛架軌道作用面示意

（1）導(dǎo)向塊潤(rùn)滑脂老化。根據(jù)主給水調(diào)節(jié)閥維護(hù)手冊(cè)要求，導(dǎo)向塊和軛架軌道使用的高溫長(zhǎng)壽潤(rùn)滑脂，呈白色、含有全氟化基成分，允許最高溫度可達(dá)260 ℃，而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度未超過(guò)潤(rùn)滑脂的使用溫度，且潤(rùn)滑脂更換時(shí)間不久，但實(shí)際檢查2LAB20AA211 潤(rùn)滑脂已老化、表面發(fā)黑變硬，附著在軌道上形成異物，將導(dǎo)向塊劃傷。

（2）兩側(cè)導(dǎo)向塊寬度不一致，閥門動(dòng)作時(shí)只有一側(cè)導(dǎo)向塊承受軛架的支撐力，受力一側(cè)的導(dǎo)向塊摩擦力較大，加速了導(dǎo)向塊磨損，閥門換向時(shí)閥桿的轉(zhuǎn)角變大，體現(xiàn)為閥門整體機(jī)械死區(qū)增大，而且僅有單只導(dǎo)向塊支撐，閥桿受力不平衡，可能會(huì)產(chǎn)生徑向的偏斜，影響閥門的動(dòng)作性能。

2.5 閥門導(dǎo)向塊和軛架軌道槽維護(hù)

在此環(huán)境高溫下使用，長(zhǎng)壽潤(rùn)滑脂本身是不易老化變質(zhì)的，但2LAB20AA211 受到其他試劑的污染，閥門維修過(guò)程中使用的除銹劑、緊固件的防咬劑、零件清洗劑等，如果使用不當(dāng)將會(huì)造成對(duì)高溫長(zhǎng)壽潤(rùn)滑脂的污染進(jìn)而引起變質(zhì)，在閥門定期維護(hù)中應(yīng)注意將各零部件清理干凈，化學(xué)試劑和潤(rùn)滑脂不應(yīng)過(guò)度使用。

導(dǎo)向塊的作用面狀況和尺寸影響主給水調(diào)節(jié)閥整體性能，其表面不得有可見(jiàn)的劃痕、變形缺陷，可用什錦銼打磨清除，再使用較細(xì)的砂紙研磨提高表面的粗糙度和平整度，兩側(cè)的導(dǎo)向塊應(yīng)寬度一致，安裝前使用游標(biāo)卡尺測(cè)量。由于過(guò)度打磨導(dǎo)向塊會(huì)導(dǎo)致尺寸減薄，閥門轉(zhuǎn)向角變大，死區(qū)升高，應(yīng)視導(dǎo)向塊缺陷情況進(jìn)行更換。

裝配導(dǎo)向塊和軛架時(shí)，尤其注意兩者作用面的清潔，可用較硬的百潔布清理軛架上的老潤(rùn)滑脂，軌道表面應(yīng)無(wú)凸點(diǎn)、起皮、拉傷缺陷。確認(rèn)不再引入其他化學(xué)試劑，最后在導(dǎo)向塊和軛架軌道涂抹高溫長(zhǎng)壽潤(rùn)滑脂，以免其被污染。

3 結(jié)論

核電廠主給水調(diào)節(jié)閥其本身承擔(dān)著控制二回路給水流量的重要作用，閥門各零部件的狀態(tài)影響閥門的控制性能，過(guò)去的維修工作中對(duì)導(dǎo)向塊部位關(guān)注點(diǎn)較低，近期的幾次主給水調(diào)節(jié)閥故障都與導(dǎo)向塊缺陷有關(guān)，逐漸引起了維修工程師的重視，經(jīng)過(guò)維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)向塊表面狀況、兩側(cè)導(dǎo)向塊的尺寸偏差、軛架軌道清潔度以及潤(rùn)滑脂的使用等因素均是影響閥門整體性能的關(guān)鍵因素。