RCW 檢修備用廠房消防水系統超壓故障分析及處理

張 帆，韓 鵬，于群利，曾韻韜，吳 浩

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 項目背景

重水堆核電廠（以下簡稱重水堆）RCW 系統（Recirculating Cooling Water System，再循環冷卻水系統）是電廠向最終熱阱傳遞熱量的中間輸熱系統。2010 年通過技改增加了RCW 檢修備用系統，其作用是為了使機組在停堆檢修期間能夠部分替代RCW系統，給必須連續供水的用戶提供足夠的冷卻水，從而將RCW 系統退出運行，實現對RCW 系統設備的預防性維護和缺陷處理。

RCW 檢修備用廠房消防系統在設計時采用了分區給水，即增設減壓閥，以滿足國標的規定。2012 年因RCW 檢修備用廠房供水管的2 臺減壓閥同時失效，廠房區域的消防管網靜壓力升高至1.2 MPa。根據GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》（以下簡稱《消規》）中要求：消火栓栓口壓力≤0.5 MPa，如果消火栓栓口壓力>0.7 MPa 必須增設減壓裝置，否則水槍的反作用力將>350 N（約35 kgf），2 名消防員難以掌握進行滅火。故消防管網靜壓力升高至1.2 MPa 將會導致RCW 檢修備用廠房室內消防水系統處于不可用狀態。

2 減壓閥故障分析

RCW 檢修備用廠房使用的減壓閥為6 英寸活塞式減壓閥，該減壓閥是安裝在廠房外閥門井中，一般情況下人員無法接觸到該閥門，而且系統投入運行后至產生該故障期間減壓閥無相關檢修任務，故可以排除人員誤碰和維修質量不合格的可能。分析導致減壓閥失效的原因和處理措施如下：

（1）閥體異物。經解體檢查發現減壓閥的主/副閥體內、主/副閥芯閥座密封面、閥前控制回路管線內堆積較多雜質，減壓閥內雜質對減壓閥功能會產生如下影響：①閥芯、閥座密封面堆積雜質，閥門無法關嚴，導致閥門無法實現減壓；②造成閥桿、活塞等部件卡澀使平衡狀態被破壞，導致減壓閥失效。

（2）減壓膜片損壞。膜片損壞或彈簧失效均會影響減壓閥的減壓功能。

（3）閥芯、閥座損壞。活塞式減壓閥靜態減壓時，減壓閥要求密封良好。在對閥芯、閥座進行檢查時發現閥芯、閥座密封面除堆積雜質外，密封面狀態良好，故可以排除閥芯、閥座損壞或腐蝕造成閥門內漏。

綜合上述檢查情況，確定導致減壓失效的根本原因為系統內雜質較多，堆積在閥體內導致減壓閥失效。解體清理只能短期維持減壓閥可用，頻繁解體閥門增大了檢修成本，卻無法從根本上解決閥體異物堆積的情況，故常規檢修手段無法徹底解決此缺陷。經調研目前市場上也沒有找到能在含有大量泥漿、銹渣的水質工況下使用的減壓閥，故無法考慮減壓閥換型。

3 消防水水質改善可行性分析

首先分析導致水質產生較多雜質的原因有以下2 點：①重水堆消防管網的管道使用的是鍍鋅碳鋼管，在系統投運前未對整個消防管網進行有效吹掃或清洗，造成管道內殘留有較多安裝、建造時產生的雜質。投運后系統內的雜質會對鍍鋅層產生影響，一旦鍍鋅層被破壞，水中的氯離子對管內壁會造成侵蝕，且腐蝕速度會大大加快，形成大量銹渣；②重水堆消防水池為露天儲水池，消防水池的消防水長期處于靜止狀態，水質較差。

若要從源頭上改善消防水水質需要進行以下2 項工作：①對所有消防管道腐蝕情況進行普查，更換所有鍍鋅層脫落或管壁銹蝕的消防管網的管道，安裝后對整個消防管網進行吹掃、清洗；②定期對消防水池放空清洗、消毒，重新補水。

而上述2 種方法實施都無法在電廠消防系統技術規格書的要求時間內完成，所以對于正在運行的電廠并不可行。

廠房消防管道的設計承壓能力為1.6 MPa，GB 3445—2018《室內消火栓》規定消火栓的公稱壓力為1.6 MPa，所以減壓閥失效后管網靜壓升高至1.2 MPa 不會對系統管道和設備造成影響，只是不滿足國標中消火栓口的靜壓不應超過1.0 MPa 和消火栓口的動壓不應超過0.5 MPa 的要求，即消火栓無法使用。故可以考慮取消減壓閥，使用其他手段使栓口的動壓和靜壓滿足要求。除減壓閥外，在消防系統上常用的減壓方式為減壓孔板和減壓穩壓型消火栓。

4 減壓穩壓型消火栓可行性分析

室內減壓穩壓型消火栓采用的是栓前取樣技術，使其具有自動識別栓前壓力變化的能力，并能快速自動地根據栓前壓力變化來控制其內部減壓穩壓裝置工作，從而保持栓后出口壓力的穩定。

《消規》中消火栓栓口壓力要求：消火栓栓口靜壓不應大于1.0 MPa，當大于1.0 MPa 時應采取分區給水；消火栓栓口動壓不應大于0.5 MPa，當大于0.7 MPa 時應采取減壓措施。當進水壓力為0.4～1.2 MPa，適合選擇Ⅱ類減壓穩壓型消火栓出口壓力為0.35～0.45 MPa，且減壓穩壓型消火栓屬于分區給水的方式，故使用減壓穩壓型消火栓替代廠房內的普通消火栓方案可行。

根據以上分析，使用減壓穩壓型消火栓替代原活塞式減壓閥可以滿足國標中的各項規定，減壓穩壓型消火栓也是屬于減壓設備，因其結構簡單，制造工藝也并不復雜，只要選擇的產品能滿足GB 3445—2018《室內消火栓》制造和試驗要求即可。但從使用安全的角度考慮，還需考慮減少系統動壓，消除減壓穩壓型消栓失效后對操作人員產生的安全隱患。

5 增設減壓孔板可行性分析

5.1 方案描述

減壓孔板的主要原理是當流動水經過減壓孔板時由于局部阻力損失，在減壓孔板處產生水頭壓力降（h 孔板），從而可以降低消火栓的出口壓力及出口流量，適用于對流體動力減壓。減壓孔板是消防水系統中常用的減壓方式，雖然設計比較繁瑣，但是在動態減壓效果和維護便利性方面仍具備一定的優勢。

5.2 可行性分析

5.2.1 單級單孔減壓孔板設計

傳統的消防水系統使用的減壓孔板為單級單孔孔板，首先需驗證單級孔板是否可以滿足系統需求，《消規》10.3.1 中對減壓孔板的規定如下：①應設在直徑≥50 mm 的水平直管段上，前后管段的長度均不宜小于該管段直徑的5 倍；②孔口直徑不應小于設置管段直徑的30%，且不應<20 mm；③應采用不銹鋼板材制作。

RCW 檢修備用廠房的室外消防管直徑為DN150，室內消火栓用水量為10 L/s。根據減壓孔板設計應符合孔口直徑不小于設置管段直徑的30%且≥20 mm，因此當孔口直徑取最小值即45 mm時，通過計算得出單級減壓孔板減壓后的栓口壓力為0.72 MPa，無法滿足GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》中消火栓口動壓不宜>0.50 MPa 的要求，故單級減壓孔板設計不合適。

5.2.2 多級多孔減壓孔板

（1）模型設計。根據現場工況的參數要求，最終結合理論計算公式、經驗公式，基于仿真計算流體力學（CFD）軟件對多級孔板進行計算。考慮不同孔徑、兩級間距離等因素對計算壓降的影響，確定消防水系統多級孔板的最終結構為二級六孔。第一級孔等效直徑為47.5 mm，第二級孔等效直徑為54 mm，兩級間距離為300 mm。孔板總長448±2 mm，兩級孔板為同心圓，孔板兩級間距離為300 mm，兩級孔板均倒角45°。

（2）模型驗證。綜合考慮計算規模與計算精度，當簡化計算模型為60°，網格數量在200 萬以上時，可確保模擬計算的精度與效率。因此選取孔板1/6 流道為計算區域，采用計算流體動力學的集成計算機工程和制造（ICEM）軟件劃分網格，邊界條件設置為速度入口，壓力出口，湍流模型選擇標準k—ε 模型。

（3）結果分析。仿真計算流體力學（CFD）計算的進出口壓力為0.728 MPa，與設計壓降0.7 MPa 相比略大，偏差為4.0%，計算值滿足設計要求。

（4）結構設計分析。基于前期流場計算的結果，確定節流裝置的結構（圖1）。確保多級孔板能在額定流量下保證壓降，且其結構尺寸與原減壓閥門一致，無需對原系統回路進行大的更改，最大程度減少對系統功能的影響。

圖1 節流裝置

（5）根據計算在消防水經過多級多孔減壓孔板后，消火栓栓口動壓約為0.47 MPa，可以滿足《消規》中消火栓栓口動壓要求，但沒有滿足《消規》中消火栓栓口靜壓要求：消火栓栓口靜壓不應大于1.0 MPa，當大于1.0 MPa 時應采取分區給水。故可以評估將減壓穩壓型消火栓和多級多孔減壓孔板結合在一起使用的可行性。

6 減壓穩壓型消火栓和減壓孔板結合可行性分析

（1）栓口靜壓分析。《消規》中消火栓栓口靜壓要求：消火栓栓口靜壓不應大于1.0 MPa，當大于1.0 MPa 時應采取分區給水。實際系統中靜壓為1.2 MPa，已超過要求值，但由于安裝了減壓穩壓型消火栓，實現了給水分區，故栓口靜壓滿足要求。

（2）栓口動壓分析。在安裝多級、多孔減壓孔板后，消火栓栓口動壓約為0.47 MPa，實際已滿足《消規》中栓口動壓低于0.5 MPa的要求，也滿足減壓穩壓型消火栓的使用要求。再經減壓穩壓型消火栓減壓后出口壓力>0.35 MPa，滿足《消規》中8 m 以上廠房室內消火栓栓口不能低于0.35MPa 要求，故栓口動壓滿足要求。

（3）減壓穩壓型消火栓和減壓孔板結合使用，通過減壓穩壓型消火滿足了栓口靜壓要求，又通過多級多孔減壓孔板保證了栓口動壓要求，即使減壓穩壓型消火栓失效，其栓口動壓產生的后坐力也低于220 N，在一名消防員的掌控范圍內，消除了人員受傷的安全隱患。

7 結束語

針對RCW 檢修備用廠房消防水系統頻繁超壓問題，通過對減壓閥失效原因進行分析，明確了水中雜質較多導致減壓閥減壓性能無法維持。通過對減壓穩壓型消火栓、減壓孔板性能進行分析，最終選取取消減壓閥，將減壓穩壓型消火栓、減壓孔板相結合使用的方案。改造方案可以保證廠房消防水系統滿足設計規范的要求，并徹底解決了美標和國標的銜接問題，經上海核工程研究院評估具有可行性，并通過了生產技術委員會和變更小組的審查。在依照此方案完成技改后，截至目前已投入使用3個月廠房消防水系統工作正常，從而證明將減壓穩壓型消火栓、減壓孔板相結合使用方案可靠。且減壓穩壓型消火栓、減壓孔板因結構簡單，耐用性強，對水質的要求遠低于減壓閥，預維只需簡單清理即可，減輕維修人員的工作量，增強設備的可靠性。