核電廠凝結水主調節閥閥桿斷裂的原因分析及改進措施

章鵬華，孫永信

核電廠凝結水主調節閥閥桿斷裂的原因分析及改進措施

章鵬華，孫永信

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電廠凝結水主調節閥作為關鍵敏感設備，閥門故障將引起機組功率擾動甚至停機停堆。本文結合某核電廠凝結水主調節閥閥桿斷裂造成降功率事件，通過對事件的概述及從閥門長期存在振動高、定位銷位置不合理等方面進行原因分析，針對性地提出優化措施并實施，為同類型電站的閥門故障排除和改進處理提供了有效參考。

調節閥；閥桿斷裂；振動；定位銷；應力集中

1　研究背景

1.1　基本概況

核電機組凝結水抽取系統（簡稱CEX）是機組二回路的重要系統，主要負責收集和冷卻所有蒸汽流和各種疏水，提供充足的凝結水儲存能力，并向除氧器提供所需的凝結水。凝結水抽取系統上設有一個凝結水流量控制站，主要由一個凝結水主調節閥（簡稱CEX025VL）、一個凝結水副調節閥（簡稱CEX026VL）及一個凝結水旁路蝶閥（簡稱CEX011VL）并列組成并實現流量控制。CEX025VL作為SPV設備[1]，閥門故障將引起機組功率擾動甚至停機停堆。因此，CEX025VL的可靠性直接影響機組的安全穩定運行。

1.2　故障事件概述

2020年10月25日18：38，某核電機組主控室控制盤面顯示凝結水流量快速下降且產生低報警，汽機功率瞬時上升，除氧器系統液位持續下降且產生低報警，但此時CEX025VL閥門開度卻由48%迅速上升至100%并保持，分析認為CEX025VL閥門調節功能失效。后排查故障原因為CEX025VL閥桿斷裂導致閥門突然關閉。

2 原因分析

該斷裂閥桿于2020年2月15日服役使用，累計使用約8個月。對CEX025VL解體檢查，從斷裂部位宏觀形貌可見，斷裂位于閥桿和閥芯旋合的第一圈螺紋處，如圖1所示。分析認為閥門長期存在振動高、定位銷孔位置不合理是造成斷裂的可能因素。

圖1　閥桿斷裂局部圖

2.1　閥門長期振動高

該機組運行期間，CEX025VL存在閥門振動高及閥桿竄動頻繁的問題。據現場勘測，CEX025VL閥門所在管道剛性支架點布置合理，管系自身剛度較大，同時閥門管線已布置剛性支撐，因此說明支撐不足不是閥門振動的原因。

2.1.1氣蝕

閃蒸和氣蝕既會導致調節閥流通能力減弱，又會產生噪聲、振動等問題，同時對閥門材料造成一定程度的破壞[2,3]。

圖2　CEX025VL閥門外觀圖

圖2為CEX025VL閥門外觀圖，滿功率運行期間，CEX025VL閥門運行的主要參數如表1所示，此時介質溫度約為34 ℃。

表1　CEX025VL閥門主要參數

不可壓縮流體流動符合一維等熵的定常流條件，其連續性方程[4]為：

式中：1和2——流體在截面1和截面2的平均流速，m/s；

1和2——截面1和截面2的截面積，m2；

——單位時間內流量，t/h。

可計算得到1和2處的流速：

根據伯努利方程，忽略在閥后管線擴張段的能量損失，可以得到截面1和截面2的守恒方程：

由此根據截面2處的壓力2，可以計算截面1處的壓力1：

根據CEX025VL閥門曲線圖3可知，在開度為45%時，閥門對應值為1 250。

式中：

2.1.2流速

綜上，高流速導致閥門長期存在振動高及閥芯閥桿組件擾動是閥桿斷裂的促成原因。

2.2　定位銷位置不合理

閥軸上的定位銷孔會對閥桿原有強度造成一定影響。圖4為定位銷所在位置，閥桿與閥芯通過螺紋連接，同時打入一個垂直銷（定位銷打入閥桿深度約6 mm）。盡管從外側看，定位銷孔位于臺階的中間位置，但實際上該定位銷位于閥芯閥桿的第一圈螺紋嚙合處。閥桿斷裂位置也正是該處，如圖5所示為斷裂閥桿的斷口形貌圖，斷口邊緣可見多處裂紋局部擴展區域（A區、B區、E區），其中A區為定位銷孔處、B區對應閥門入口、E區對應閥門出口。

圖4　CEX025VL定位銷位置圖

定位銷削減了閥桿強度，閥門長期振動高及閥芯閥桿組件高頻擾動加速了閥桿疲勞斷裂，具體分析如下：

圖5　CEX025VL閥桿斷面形貌圖

機組滿功率運行期間，閥籠附近的高速流及漩渦流對閥芯產生沖擊，形成一個正向拉力和壓力，其中圖5中的B區和E區分別對應閥門入口和出口，此處拉壓力最大。

A區靠近B區，也存在較大的周期性拉壓力。同時A區為第一圈螺紋嚙合和定位銷孔的交匯處，根據旋合螺紋間的載荷分布，約有1/3的載荷集中在螺紋第一圈上[6]。因此，定位銷孔應力集中對第一圈螺紋強度降低有較大影響。上述兩個因素疊加導致A區易萌生疲勞裂紋，A區裂紋至B區后進一步擴展，最終導致閥桿斷裂。

綜上，定位銷的位置選擇不合理是閥芯脫落的根本原因。

通過對可能因素的深入分析，確定了因長期存在流速過高導致閥門振動及閥芯擾動的情況，同時定位銷位置不合理，最終導致閥桿斷裂。

3 改進策略

3.1　閥籠結構優化

針對流速過快導致閥門振動高問題，已通過優化閥籠結構來改進，具體采用了打孔閥籠和增加了閥門100%的額定行程。結構優化有效擴大了流通面積和降低了流速，改善閥門節流后的流體狀態，起穩流作用。

3.2　定位銷重新定位

定位銷的位置已避開閥芯閥桿的第一圈螺紋，將其固定在第五圈螺紋處。計算可知閥桿在第五圈螺紋所受的軸向力約為第一圈的20%，因此同樣銷孔的應力，改進后的定位銷對閥桿的影響程度顯著降低。

通過上述結構優化，截止目前該閥門已穩定運行9個多月，效果良好。其中閥門振動值下降約3.3 mm/s，閥位波動幅值也有效下降，以某連續30分鐘內閥門開度值為例，閥位幅值由2.5%波動下降為1.2%波動，1.2%波動屬于正常波動。

4 結束語

調節閥閥桿斷裂的缺陷模式復雜，本文根據缺陷的表現形式逐一進行故障排查與原因分析，并針對性地提出改進措施。相應舉措實施后取得了很大的成效，有效地提高了閥門的可靠性與系統的穩定性。這一過程呈現了此類調節閥故障分析的大體過程，為同類型問題的分析和決策提供一定的借鑒意義。

［1］ 高立剛，王宗軍，戴忠華．大亞灣核電站設備管理體系創新［J］．工業工程與管理，2006，11（1），100-103.

［2］ 龔龍鷹，劉傳君，等．控制閥實用手冊［M］．北京：化學工業出版社，2015.6.

［3］ 明賜東．調節閥計算選型使用［M］．成都：成都科技大學出版社，2014.11.

［4］ 楊有濤．流體力學理論在流量計量中的應用［J］．工業計量，2008（18）：16-19.

［5］ 張銘刻．核電站凝結水旁路調節閥振動大的原因分析與對策［J］．中國核電，2019（4）：405-409.

［6］ 濮良貴，紀名剛．機械設計［M］．北京：高等教育出版社，2010.3.

Cause Analysis of the Stem Break of Condensate Control Valve and Improvement Measures

ZHANG Penghua，SUN Yongxin

（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China）

As a SPV equipment，failures of condensate control valve in the nuclear power plant will cause power decrease or even reactor shutdown.This paper reviews the stem break of condensate control valve event and analyzes the reasons from the valve′s long-term high vibration and the unreasonable design of the locating pin.Correspondingly，optimization measures are proposed and implemented，which provides a reference for valve troubleshooting and improvement of the same type valve.

Control valve；Stem break；Vibration；Locating pin；Stress concentration

TL63

A

0258-0918（2022）01-0136-05

2021-09-30

章鵬華（1990—），男，浙江杭州人，工程師，工學碩士，現主要從事核電廠設備管理和研究