核電廠定子冷卻水泵切換失敗原因分析

劉斌，張精干，史慶峰，陳松，邵家泉，岳興華

（中核核電運行管理有限公司技術二處，浙江海鹽 314300）

0 引言

國內某核電廠2號機組發電機定子冷卻水泵采用一用兩備的方式，當運行泵發生故障時可自動切換到備用泵運行，保證系統的正常運行，如果運行泵發生故障而無法進行正常切換，將可能導致定子冷卻水系統失效從而引起停機，甚至可能損壞發電機設備[1]。該電廠在進行發電機定子冷卻系統冷卻水泵切換試驗過程中曾多次發生切換備用泵失敗情況，懷疑原因為兩臺泵同時運行時備用泵不能正常出力，導致壓力低，無法頂開出口逆止閥。鑒于該核電廠多次出現定子冷卻水泵切換失敗現象，并且該現象不是個例，因此有必要對該缺陷進行原因分析，從根本上解決該缺陷，同時為發生類似缺陷的電廠提供一種解決問題的思路與方法，從而提高系統運行的可靠性。

1 定子冷卻水泵切換情況

圖1為某核電廠該機組定子冷卻系統一用兩備泵管道流體走向及某次從3號泵切換至1號泵失敗情況示意圖。3號泵正常切換至1號泵操作過程為：維持1號泵出口截止閥關閉，開啟1號泵，待1號泵運行穩定后，緩慢開啟1號泵出口截止閥，待兩臺泵出口流量及壓力基本相同并穩定時緩慢關閉3號泵出口截止閥，后停止3號泵。在1、3號泵同時運行時，1號泵需同時克服逆止閥彈簧力與逆止閥背部壓力才能將逆止閥頂開，實現兩臺泵之間切換。力，流量基本無變化，1號泵對系統流量貢獻為0，表明1號泵出口逆止閥未被頂開；2）當單泵運行時，各泵出口壓力、電流、流量均正常，滿足系統運行需要；3）根據單泵的電流和流量，單泵運行的性能排序為3號泵＞1號泵＞2號泵。

圖1 定子冷卻系統一用兩備泵管道流體走向及切換情況示意圖

表1 定子冷卻水泵具體切換數據

2 定子冷卻水泵切換失敗原因分析及處理

對定子冷卻水泵進水管路布置、泵性能檢查、泵出口逆止閥等可能引起泵切換失敗的原因進行了全面分析，同時對逆止閥彈簧斷裂原因進行了分析，明確了泵切換失敗原因，并實施了相應處理措施，備用泵能正常切換。

2.1 管路布置分析

從圖1中可以看出，3臺泵進水管道均由1根主管道引出，并且3號泵進水管道在1、2號泵進水管道上游更靠近定子冷卻水箱，懷疑3號泵可能優先搶水，引起1號泵進水流量較低，導致切換失敗。該電廠1號機組與該機組管道布置方式一致，每次從3號泵均能正常切換至1號泵。某次切換數據如表2所示，根據單泵的電流和流量，單泵運行相對性能與2號機組相同：3號泵＞1號泵。并且2號機組1、2號泵入水管道布置方式一致，3號泵可正常切換至2號泵，因此可排除因泵進水管路布置不合理原因導致泵切換失敗。

表2 1號機組3號泵切換至1號泵數據

2.2 定子冷卻水泵性能分析

表3 3臺泵單運行參數

2.3 定子冷卻水泵出口逆止閥性能分析

2.3.1 逆止閥性能分析

定子冷卻水泵出口逆止閥為對夾雙瓣碟式逆止閥，由閥體、閥瓣、閥軸、彈簧、螺栓、墊圈構成，彈簧位于閥門背側,泵出口逆止閥為豎直安裝，彈簧朝上，當介質停止流動或倒流時，閥瓣靠自身質量、彈簧彈力作用及倒流截止作用而旋轉到閥座上，起到逆止作用，如圖2、圖3所示。

圖2 逆止閥及彈簧示意圖

圖3 逆止閥安裝位置圖

3臺泵出口逆止閥解體情況如圖4所示，2、3號泵出口逆止閥彈簧斷裂，1號泵出口逆止閥彈簧保持完整，在3號泵單獨運行時，1號泵出口逆止閥背部壓力與3號泵出口壓力一致，3號泵切換至1號泵時，1號泵需同時克服逆止閥彈簧力與背部壓力才能將逆止閥頂開，實現3號泵切換至1號泵。在每次大修結束首次切換時，3臺泵出口逆止閥彈簧均完好，3號泵均能成功切換至1號泵，當3號泵出口逆止閥彈簧斷裂后無法正常切換，切換情況如表4所示，說明泵出口逆止閥性能是導致泵無法正常切換的主要原因。

表4 逆止閥彈簧斷裂與泵切換情況

圖4 3臺泵出口逆止閥解體情況

當1號泵出口逆止閥彈簧完好，2號泵出口逆止閥彈簧斷裂時，2號泵可成功切換至1號泵，2號泵性能要弱于1號泵，說明逆止閥彈簧斷裂不是泵切換失敗的唯一原因，2、3號泵切換至1號泵情況如圖5所示。從切換情況中可以得出3號泵切換至1號泵失敗的原因為1號泵出口逆止閥彈簧完好，3號泵出口逆止閥彈簧斷裂，1號泵需同時克服逆止閥彈簧力及3號泵直接施加在逆止閥背部的壓力，另外3號泵性能優于1號泵，兩種因素疊加導致3號泵切換至1號泵失敗。其中逆止閥彈簧斷裂為主要原因，1號泵性能弱于3號泵為次要原因。

圖5 3號泵切換至1、2號泵情況

2.3.2 逆止閥彈簧斷裂原因分析[3-4]

泵正常工作流量為110 t/h，正常工作壓力為0.8 MPa，流體介質為水，管道規格為DN80，逆止閥閥軸直徑為8 mm，彈簧內徑為19 mm，兩者相差較大。當彈簧配合到閥軸上時，彈簧和閥軸之間會存在較大間隙，易于造成碰撞和磨損，如圖6所示。當彈簧處于工作狀態時，扭臂扭轉90°，彈簧整體暴露于流體介質中。流體通過閥門時，對彈簧造成沖擊，然后從2個閥瓣之間流過，如圖7所示，形成湍流，可引起彈簧發生振動。逆止閥安裝在冷卻水泵出口管道，離泵體非常近，此部位流體湍流強度很高，管道內的湍流強度可通過雷諾數（Re）進行計算：

圖6 閥軸和彈簧配合

圖7 逆止閥迎水面形貌

式中，V、ρ、μ、d分別為流體的流速、流體密度、黏性系數與管道內徑。

泵正常工作流量為110 t/h，換算成流速約為6.08 m/s（閥門入口內徑為80 mm），常溫（25℃）下黏性系數為0.8937×103N·s/m2，流體密度為1×103kg/m3。將以上數據代入公式計算得出[5]：Re=544254。

在管流中，雷諾數Re小于2100 的流動是層流，等于2100～4000時為過渡狀態，大于4000時是湍流[6]。冷卻水泵出口管道雷諾數Re為544 254，遠大于4000，說明流體湍流非常強烈。同時，彈簧位于閥門中心，正向受到流體沖擊作用，在流體擾動作用下，產生強烈的振動，導致彈簧受到交變應力的作用，引起彈簧發生疲勞斷裂。宏觀檢查發現，彈簧表面及閥瓣表面有明顯的磨損痕跡，說明振動導致彈簧交變應力的同時也引起彈簧和閥瓣及閥軸之間產生磨損。

從逆止閥彈簧斷裂原因分析中得出對夾雙瓣碟式逆止閥無法滿足現場運行要求，需要對逆止閥結構進行改進，經過分析可將逆止閥結構改為旋啟式逆止閥，如圖8所示，該逆止閥彈簧在內孔一側，可防止水流對彈簧造成直接沖擊，避免因流體引發的振動而導致彈簧斷裂[7]。

圖8 旋啟式逆止閥

2.4 處理措施

通過以上原因分析結果，可得出解決切換泵失敗的措施為：1）將泵出口逆止閥由對夾彈簧式改成旋啟式逆止閥；2）使3臺泵性能保持一致。將3臺泵出口逆止閥改為旋啟式后，未出現切換失敗情況，并且泵各項運行參數正常，驗證了上述分析結果。

3 結語

國內某核電廠2號機組發生過多次定子冷卻水泵切換失敗的情況，針對該缺陷對該機組定子冷卻水泵歷史切換情況、系統管路布置、泵性能、出口逆止閥彈簧斷裂情況進行了收集與分析，同時分析了逆止閥彈簧斷裂原因，通過以上分析明確了定子冷卻水泵切換失敗原因，總結如下。

1）主要原因。2、3號泵出口逆止閥彈簧斷裂，1號泵出口逆止閥彈簧完好，導致1號泵啟動時無法克服逆止閥的彈簧力。

2）次要原因。1號泵葉輪直徑相對3號泵葉輪直徑偏小4 mm，1號泵性能弱于3號泵性能，導致1號泵相對出力不足，無法正常頂開逆止閥。

逆止閥彈簧斷裂原因為：管道內流體的雷諾數Re=544254（大于4000為湍流），流體湍流非常強烈，彈簧位于閥門中心，正向受到流體沖擊作用，在流體擾動作用下，產生強烈的振動，導致彈簧受到交變應力的作用，引起彈簧發生疲勞斷裂，將逆止閥結構改為旋啟式逆止閥，可有效解決彈簧斷裂問題。

將3臺泵出口逆止閥改為旋啟式后，未出現切換失敗情況，并且泵各項運行參數正常，驗證了原因分析的正確性。該缺陷的原因分析及成功處理提高了核電機組運行的可靠性，并為類似一用多備泵切換失敗問題研究提供了思路與方向。