某核電站設備冷卻水系統氣動閥卡澀原因分析

(中廣核工程有限公司,福建 寧德 355200)

在CPR1000型核電機組中，設備冷卻水系統(RRI)作用是為下游各用戶提供冷卻水，其中最大的用戶是安全殼噴淋系統(簡稱EAS)的熱交換器。EAS系統的主要作用是機組在LOCA事故(一回路喪失冷卻水)情況下將安全殼的壓力、溫度以及放射性降低到可接受水平。EAS共有兩臺熱交換器，編號為EAS001/002RF，RRI系統為EAS熱交換器供水的管道上設置有一個氣動隔離閥，編號為RRI035/036VN。這兩個閥門在RRI系統正常運行工況下保持關閉，當收到安全殼噴淋信號后立即開啟，為EAS熱交換器提供冷卻水，保證EAS系統的正常運行[1]。

某核電站1號機組的RRI035/036VN在調試階段發現，閥門在收到安噴信號后出現卡澀現象，無法開啟，影響事故工況下安全殼的噴淋，對機組安全產生危害，必須立即處理。

1 問題描述

RRI系統分為A、B兩列，正常工況下一列運行，一列處于備用狀態，當發生LOCA事故時，備用列1臺泵自動啟動，RRI035/036VN自動開啟，備用列(以A列為例)下游用戶為RRI系統電機(RRI001/003MO)，EAS電機(EAS001MO)，安全注入系統電機(RIS001MO)，電氣廠房冷凍水系統凝氣器(DEL001CS)，上充泵房應急通風系統熱交換器(DVH001RF)，相關用戶流量見表1，RRI系統流程圖見圖1。

表1 RRI下游用戶流量表Table 1 The flowrate of RRI downstream users

由表1可知：當備用泵剛啟動時，流量很小，只有266.8 m3/h，只有當RRI035VN全部開啟后，流量才會達到正常流量2 186.8 m3/h，RRI系統泵為離心泵，對于離心泵，流量越小，壓頭越大，作用在閥門密封面上的壓力越大，閥門開啟越困難，所以，在啟泵瞬間，管線上閥門最難開啟，某核電站RRI035VN在執行備用列自動啟動試驗時發現閥門卡澀，無法開啟，導致試驗失敗。

2 原因分析及故障處理

圖1 RRI系統流程圖Fig.1 RRI system flow diagrams

RRI035VN為氣動蝶閥，閥門相關參數見表2[2]。

表2 閥門參數表Table 2 Valve parameters

閥門為失氣開類型，即當氣缸進氣后，壓縮空氣作用在活塞上，活塞壓縮彈簧，使閥門關閉，失氣后，彈簧復位，推動活塞使閥門開啟。氣動閥卡澀一般是下面兩個原因[3]：

1)氣動裝置輸出扭矩不夠;

2)閥門開關所需扭矩較大。

下面分別從這兩方面加以分析并處理。

2.1 氣動裝置輸出扭矩不夠

氣動頭輸出扭矩不夠，則閥門開啟動力不足，無法帶動閥門動作，所以，可考慮通過增大輸出扭矩的方式解決問題，在不改變閥門本體的情況下，增大輸出力矩，優化閥門性能的方法有兩點：

1)更換更好的電磁閥;

2)調整氣源管線。

電磁閥控制氣動閥的進氣和排氣，是氣動閥的重要組成部分，其性能優異對閥門影響較大，RRI035/036VN發生卡澀時，首先決定更換新的電磁閥，新舊電磁閥參數如表3所示。

表3 電磁閥參數表

由表3可知，新電磁閥主要在功率和流量系數上進行了優化，減小功率可以使電磁閥不易發熱，穩定性更好，減小流量系數，可以減小進氣量和進氣速度，這樣，氣缸失氣時排氣時間更短，有利于閥門開啟。

對氣源管的優化主要是兩點，一是在電磁閥和氣缸之間增加了一個單向閥，把氣缸失氣時本應該通過電磁閥排往大氣的壓縮空氣，輸送到氣缸里彈簧側，幫助彈簧推動活塞開啟閥門；二是將減壓過濾器上的排氣孔，由原來的2 mm擴大到2.6 mm，增大排氣速度，使閥門在失氣時反應更加迅速，減小彈簧的阻力。新型電磁閥及氣源管線見圖2所示。

圖2 新型電磁閥與氣源管線圖Fig.2 New type of solenoid valve and gas source pipeline

2.2 閥門關閉所需扭矩較大

只有當氣缸輸出扭矩大于閥門動作所需扭矩時，閥門才能動作，所以閥門動作扭矩大容易引起卡澀。導致閥門扭矩較大的原因是閥門關閉過死，蝶閥是通過碟板與橡膠閥座的過盈來實現密封的，過盈量越大，則閥門關閉的越嚴，開啟時就會越困難，再加上此閥門是長閉閥門，只有在事故工況下才會開啟，長期關閉情況下，碟板因為單側受壓，會逐漸的陷進閥座橡膠里面，碟板與橡膠之間形成一定的結合力，增加開啟難度。減小過盈量的方法有兩個：一是調整關限位，二是增大端蓋的厚度。調整限位比較容易，在氣缸上重新選擇限位開關位置即可，但要注意的是必須在廠家指導下進行，否則可能導致關閉不嚴；調整端蓋厚度需要部分解體氣缸。氣缸內的閥桿在壓縮空氣和彈簧的作用力下做直線運動，閥桿通過轉動機構帶動閥瓣做90°的角運動，閥桿在閥門全關時緊緊地頂在端蓋上，因此增加頂蓋的厚度，可以減小閥桿關閉時的行程，進而減小閥瓣壓縮閥座的深度，減小結合力。

端蓋位于閥門端部，是一端開口、另一端封堵的圓柱體，外直徑80 mm、內徑55 mm，通過外螺紋旋進閥門端部，閥桿從開口處進入，全關時頂在封堵處，閥門結構簡圖見圖3，端蓋圖見圖4，圖5。

圖3 閥門結構簡圖Fig.3 The structure of the valve

圖4 端蓋正面Fig.4 The front viewof the end cover

圖5 端蓋側面Fig.5 The side viewof the end cover

增大端蓋厚度的方法是在端蓋內堆焊，通過堆焊，大約使端蓋增加了10 mm，閥瓣全關時減少3°。

通過以上方式的改進，閥門卡澀問題在一段時間內得到了解決，但是閥門在維持關閉狀態時間較久后，仍會出現開啟困難，需要進一步處理。

2.3 氣缸換型

考慮到對當前的閥門改造已經達到極限，下一步決定對氣缸進行改造，以便大幅增加氣缸輸出扭矩，減小閥門開關扭矩，閥座及電磁閥型號VALCOR不變，氣缸結構和材料不變，改進的主要是以下四點[4]：

(1)減小碟板與閥座之間密封過盈量

前面介紹了通過增厚端蓋的形式減小過盈度，屬于間接方式，本次改造通過減小碟板外徑使碟版與閥座之間過盈量減小了0.4 mm，效果更明顯，新舊氣缸參數見表4。

表4 新舊閥門參數表

新閥門在出廠前進行了扭矩測試，廠家測試結果顯示，過盈量減小后，閥門開啟所需扭矩減少1000 N·m以上，數據見表5。

表5 廠家試驗數據表

(2)上下閥軸之間增加拉桿

原閥門沒有設計拉桿，導致閥門在開關過程中，上下閥軸受力不均，產生偏移，增加拉桿后，減小了系統壓力對閥軸的影響，增加上下閥軸同軸度，使閥門在開啟過程中更加平順。新舊閥軸見圖6、圖7。

圖6 舊閥軸Fig.6 Old valve shaft

圖7 新閥軸Fig.7 New valve shaft

新氣缸上閥軸與碟板之間采用方榫連接，上閥軸與連桿采用螺紋連接，下閥軸與碟板處設計了止動小球，起到定位防轉的功能，拉桿下端設置止動線圈和鎖緊螺母，防止拉桿螺紋脫落，同時，拉桿下方還設置了減摩調整墊，限制拉桿軸向位移。

(3)增大氣缸尺寸

為提高氣動頭的輸出力矩，將氣缸直徑由350 mm增加到450 mm，長度由2 265 mm增加到2 380 mm，同時改用更大更強的彈簧，開啟輸出力矩增加明顯，廠家試驗結果對比見表6。

表6 新舊氣缸輸出力矩表

(4)減小橡膠的密封結合力

通過改造橡膠閥座結構，將密封帶寬度由25 mm較小到15 mm，進而減小因橡膠變形產生的密封結合力，見圖8。

圖8 橡膠閥座示意圖Fig.8 Rubber seat sketch map

通過以上改造，氣缸進氣量由270 L增加到450 L，輸出力矩由4 160～7 036 N·m增加到7 000～11 912 N·m。出廠前，廠家對新氣缸做了一系列試驗，結果滿意，試驗數據見表7。

表7 新氣缸出廠試驗數據表

3 現場試驗驗證

新氣缸安裝到現場后，立即進行備用列自動啟動試驗，試驗按照要求配置好用戶，模擬安全殼噴淋信號，備用泵RRI001/003PO自動啟動，RRI035/036VN自動開啟，試驗結果見表8[5]，結果滿意。(備注：試驗過程中，如果RRI035/036VN在120 s沒有開啟，則必須立刻停泵，防止泵小流量運行過久)

截至目前，新閥門已經在現場使用超過兩年，沒有再發生卡澀現象，此問題得到徹底解決。

表8 現場試驗數據

4 結 論

設備冷卻水系統氣動隔離閥發生卡澀現象，無法在啟泵瞬間自動開啟，影響機組安全，在對原閥門進行多次改進后仍無法得到滿意效果。最終經過分析驗證，得出卡澀的根本原因是原氣缸輸出扭矩較小，而閥座與碟板之間密封過于嚴密，導致原氣缸無法帶動閥門動作，隨后重新設計新氣缸，新氣缸在橡膠閥座、閥軸、氣缸尺寸等方面加以改進，使得氣動頭輸出扭矩大大提高，滿足了現場閥門開啟的扭矩要求，有效的解決了閥門卡澀問題，避免了LOCA事故下安全殼超溫、超壓的風險，并為后續氣動閥卡澀問題處理提供了寶貴的經驗。