重水供应系统公共回流阀失效分析及应急处理

2019-07-09袁小魏李平原

设备管理与维修 2019年6期

袁小魏，李平原

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

秦山核电基地70万生产单元是引进加拿大的重水堆机组，称为CANDU 6型重水堆[1]，其一大特点就是不停堆换料，在反应堆运行时由A，C两侧装卸料机分别连接燃料通道的两端相互配合进行不停堆换料。这种重水堆不仅慢化剂是重水，冷却剂也是重水，因此与主系统相连的装卸料机系统内的介质也是重水。

装卸料机重水供应系统的功能是为装卸料机提供一定压力、温度、流量的重水，在保障装卸料机料仓内乏燃料冷却的同时，提供装卸料机水回路操作的动力[2]。公共回流阀在重水供应系统压力控制过程中用于保持公共集管压力在预整定值不变，在第二台泵的启动或停止时，用于减弱附加于系统的扰动。若该阀门控制失效，会引起泵的输出压力快速增加，重水泵出口安全阀起跳，使重水直接喷洒至地面，引起反应堆厂房氚水平的意外大幅度升高和重水的损失；甚至对乏燃料冷却、主热传输系统压力边界完整性产生一定的影响。

因此分析公共回流阀失效原因及应急处理对于换料系统的正常运行有着重要的意义。

1 重水供应系统功能

1.1 重水供应系统运行模式

1.1.1 装卸料机运行模式

根据整个换料过程装卸料机所处的不同工况，设计上，装卸料机有几种不同的运行模式，用来满足功能要求。

（1）燃料传输模式。装卸料机在新燃料通道装载新燃料、在乏燃料通道卸除乏燃料或在辅助通道进行维修操作期间处于这种运行模式。该模式下，装卸料机料仓的压力设定点为0 MPa，处于堰坝液位。

（2）停车模式。装卸料机在反应堆与维修区之间运动和换料间隙的无其他操作的状态时处于停车模式。该模式下，装卸料机料仓压力设定为3.1 MPa，料仓满液位。

（3）离堆模式。装卸料机抱卡在反应堆通道上，密封塞尚未取出时的运行模式，称为堆下模式。该模式下，处于反应堆通道上游的装卸料机料仓压力设定为11.38 MPa，处于反应堆通道下游的装卸料机料仓压力设定为10.48 MPa。

（4）在堆模式。装卸料机抱卡在反应堆通道上，管嘴塞、密封塞都已经取走，装卸料机与反应堆通道连同的运行模式，称为堆上模式。此时，料仓压力与通道压力相同。回流管线上的料仓压力控制阀处于全关状态，所有装卸料机重水阀站的供给流量都从机头料仓注入反应堆通道。

1.1.2 重水供应系统压力控制模式

为满足上述装卸料机不同运行模式的需要，装卸料重水系统压力控制设计有4种控制模式（表1）。

表1 装卸料机重水供给系统和重水阀站的压力设定点

1.2 重水供应系统压力控制原理

重水供应系统组成部分影响或构成了压力控制系统的一部分（图1），主要包括 2台重水泵（4-1，4-2）、阻尼器（3-1，3-2，6-1，6-2）、逆止阀（9-1，9-2）、压力控制阀（10-1，10-2，10-3，10-4）和公共回流阀（14）。另外，旁路热交换器（13）在系统中也会引起一个小的但明显的压降。整个系统由3个压力变送器（11-1，11-2，11-3）和3个对应的数字调节器及上述的压力控制阀和相关的开关、指示灯组成。一个单独的数字压力调节器经公共回流阀控制2个工艺系统的公共压力，公共压力由压力变送器11-1测量。

为维持重水泵出口压力控制，重水供应系统设计了公共母管环路。该公共母管环路在A/C两侧输出环路之间作为吸收压力扰动的环路，公共母管环路通过控制公共回流阀的开度来保持公共母管的压力稳定在设定值附近。公共回流阀在A，C侧系统输出供应之间作为解除连接的机械装置，确保一侧的压力扰动不会严重影响另一侧的压力控制，同时也不会由于两个系统之间的相互影响严重减弱系统控制的稳定性。另外，在异常工况中一台重水泵运行，另一台泵的启动或停止时，它也帮助减弱附加于系统的扰动。

图1 重水供应系统压力控制原理图

为防止泵出口压力（公共母管压力）超过设定值，在每个重水供给泵出口安装了一台安全阀，安全阀的设定点为18.62 MPa，给系统提供过压保护功能。

其中，1——低压过滤器，2——隔离阀，3——低压阻尼器，4——重水泵，5——泄压口，6——高压阻尼器，7——安全阀，8——高压过滤器，9——逆止阀，10——压力控制阀，11——压力变送器，12——主系统重水储存箱，13——热交换器，14——公共回流阀

2 公共回流阀失效原因分析及处理

根据公共回流阀（厂家及型号:Fisher，667-HPS，Actuator 667-50）的结构及运行历史，其失效故障主要集中在4个方面:①系统运行时阀门频繁小开度控制和阀门的频繁动作导致阀芯及阀座环密封面的气蚀；②阀杆填料密封泄漏；③膜片老化、损伤；④定位器等控制附件的设定值漂移。

2.1 阀芯和阀座损伤

公共回流阀靠阀杆相对于阀座的运动来调节阀门的开度不断地节流和切断流体，以达到控制公共回路压力的目的，公共回流阀如图2所示。

阀杆与阀芯采用了螺纹旋合后通过一个过盈配合的销钉加固的组合式结构保证刚性连接，保证阀杆与阀芯、阀笼间的同心度。在运行过程中，为维持流体稳定地流过阀门，在截面最小的断面处，流速必须最大。当阀门关闭时，阀门前后压差作用在阀座的密封面上，当阀芯接近阀座时，压降很大，力量形成速度很快，若连续的在靠近阀座的位置进行节流，阀门的自激振荡现象会导致阀座密封面的损伤。阀芯与阀座的密封面机械磨损及流体的冲刷是经常遇到的问题，而密封面因机械磨损、流体冲刷会引起阀门的内漏并会不同程度的改变阀门的流量特性。

图2 公共回流阀

通过对出现内漏故障的公共回流阀解体发现，阀芯、阀座密封面出现了不同程度的损坏（图3）。公共回流阀长期在小于20%的开度工作，巨大的压差落在阀座与阀芯之间的通道上，压力巨减的位置往往是气蚀的关键位置。介质的冲刷及气蚀作用极易导致阀芯、阀座密封面出现缺陷，而且缺陷随运行时间的增加而逐渐恶化。此外，即使发生气蚀、冲蚀等得破坏，也是先发生在阀芯头部上。随着阀芯破坏，流量增加，可以对阀门行程进行适当的调整，保证阀门再关严一点，这样不断破坏，逐步关闭，使整个阀芯全部充分利用，直到阀芯根部及密封面破坏，不能使用为止[3]。通过调整预防性维修的频度及时更换有缺陷的阀芯、阀座可以保证阀芯及阀座密封功能。

图3 损坏的公共回流阀阀芯

2.2 阀杆填料密封泄漏

公共回流阀阀杆填料密封采用PTFE ENNIRO-SEAL填料系统[4]，被认为是最典型的减少泄漏排放的填料系统。根据填料密封时的压力分布理论分析及各种填料设计的现场性能测试，得到经验公式（1）[3]。

式中Pr——填料的径向压力

P0——作用于填料压盖的压力

K——填料的应力比值

d1——阀杆直径

d0——填料函孔径

s——填料长度（深度）

μ1——填料与阀杆之间的动摩擦因数

μ2——填料与压盖之间的静摩擦因数

根据填料压力分布的经验公式可以得出结论:填料的径向压力随填料的长度按指数规律降低。公共回流阀使用了纯聚四氟乙烯的V形填料，具有摩擦系数小，化学惰性强和自润滑作用等优点[4]。但是，纯聚四氟乙烯缺点是热膨胀系数高，是不锈钢的10倍[5]，这导致填料函出现温度变化时填料与阀杆、填料与填料函壁的间隙发生较大变化，不能保证良好密封。

因此，在检修期间必须保证填料压盖螺栓力矩适中，决不能过大，如果设备投运后出现填料密封渗漏故障，可以适当紧固填料压盖螺栓以保证填料的径向载荷，进而保证填料的密封性能。

2.3 膜片老化、损伤

作为公共回流阀的“中枢神经系统”，气动执行机构起着接收控制信号并按此信号正确响应的功能，它的失效将直接导致公共回流阀失去控制流体流量的功能。

气动执行机构内的膜片因长期承受压缩空气及弹簧的双重作用而处于工作状态，其老化、磨损是膜片型气动执行机构主要的失效模式[6]。

膜片通常是由合成橡胶与合成纤维经模压加工而成，因橡胶都有温度限制和有效期限，而且对于经常承受载荷的纤维来讲，抗扯断强度、弹性等指标也将随着时间和载荷的双重作用而降低。检修时应对膜片的材料、硫化日期、厂家推荐的橡胶材料的有效期进行登记并定期对接近有效期的膜片进行重点检查，防止膜片老化而失效的故障。

磨损也是膜片失效的常见故障。造成膜片磨损的原因可能是膜片的尺寸不合适，也可能是与膜片接触的金属部件存在毛刺或锐边。因此，在检修的过程中必须要保证安装的膜片尺寸合适，其次要保证装配正确，减少因膜片磨损而导致阀门功能降低或失去的故障。

2.4 定位器等控制附件的设定值漂移

因定位器或电器转换器等控制附件的设定值偏离了规定值，启动执行机构供气压力减小引起阀门实际输入与输出的不匹配，进而导致系统流量、压力的改变和重新分配，导致阀门的输入、输出偏差的进一步变化，造成阀门不稳定，这将对阀门的调节功能、寿命产生极大影响。通过对这些控制附件的检查发现，设定值漂移故障大多是由于环境温度、部件的老化等原因造成。这些附件的设定值漂移可以通过预防性维修来保证设备的正常功能，进而保证公共回流阀的正常调节功能。

3 公共回流阀失效应急处理

根据公共回流阀所处的位置及在压力控制中所起到作用，以上阀门的失效形式不足以引起系统的应急响应。由于公共回流阀是失效关的阀门，若压空供气失去，该阀门实际位置关闭，重水供应泵出口压力上升，主控室自动控制中显示公共回流阀全开。

3.1 重水供应压力设定为高压

3.1.1 事故后果

高压工况下，串行阀10-1，10-2（图1）的设定开度较大，公共回流阀全关后所截断的流量能够通过并行阀10-3，10-4（图1）的打开来弥补。因此该工况下，公共回流阀失效除了瞬时造成重水供应系统压力扰动外，重水泵的出口压力处于自动可控状态，换料系统设备能够正常运行。

3.1.2 异常征兆

由于公共回流阀全关，并行阀10-3，10-4的开度将会略有增加，串行阀10-1，10-2的开度保持不变，装卸料机料仓压力可能会出现小幅短时压力波动，公共母管压力略高于设定点，公共回流阀的阀位是100%开度，不会导致料仓压力释放阀动作。

3.1.3 事故处理过程

盘台操纵员确认工况，调出显示界面，检查流量、压力、温度，如可能派现场操作员前去确认阀门开度。若两侧装卸料机未带有乏燃料且燃料通道未打开，直接停运重水泵，通知维修人员处理。

若装卸料机内带有乏燃料且燃料通道已关闭，暂停操作，确认工况稳定，装卸料机料仓压力和重水供给压力没有大的波动，通知维修人员处理。若装卸料机抱卡在燃料通道上且通道处于打开状态，如果燃料未推入通道，暂停操作；如果燃料已推入通道，继续执行自动程序操作直至回装密封塞避免燃料处于交叉流，暂不关闭通道，通知维修人员处理，等待维修人员处理完成后，继续自动程序完成后续操作。

若维修人员无法在一定时间内完成维修工作，经授权后，编写临时操作票通过手动调节压力调节阀10-1，10-2，10-3，10-4（图1）完成后续操作。由于公共回流阀全关状态，后续在燃料通道关闭和重水供给压力及料仓压力降压时，需要手动调节两侧串行阀10-1，10-2开度，不带乏燃料侧装卸料机可维持在停车压力（3.1 MPa）后暂停操作，带乏燃料侧装卸料机在降至低压和堰坝液位工况后，要确保重水供给压力和料仓压力的压差在4 MPa左右，C杆流量在200 mL/min左右，利用C杆完成后续卸料操作。