核电厂消防系统减压阀运行缺陷分析及解决措施

(福建福清核电有限公司,福建 福清 350318)

核电厂消防系统用水,由消防水生产系统的消防水泵输送至各个厂房。相对于其他厂房消防水的压力等级,BOP子项的消防水等级较低,由常规岛消防水系统经过3台减压阀,将1.12 MPa(g)的消防水减压至0.80 MPa(g)后供给BOP各子项以及室外消火栓[1],如图1所示。

图1 消防系统流程简图Fig.1 The flow chart of the fire protection system

消防水在非火灾事故期间的长期不流动,致使水质逐渐恶化,减压阀运行环境相对恶劣;下游BOP子项对消防系统的需求,又要求系统减压阀能够快速响应下游压力变化、具备良好的密封性能以保证电厂消防系统的稳定、可靠运行。

1 原减压阀运行情况与分析

1.1 减压阀运行情况

在消防系统运行期间,减压阀先后出现内漏、阀后超压等现象,造成现场消防系统多次出现承压部件松脱跑水。

经过不同工况下的调试试验发现,511VE先后出现了内漏,大流量试验时,阀后压力上升至1.30 MPa(g),远远高于设计要求的0.80 MPa(g),也高于下游管道的试验压力1.20 MPa(g)。434VE与507VE在进行大流量试验时,阀后压力分别达到1.30 MPa(g)和 0.85 MPa(g),导致了下游安全阀的动作。

上述试验结果,均不满足国标要求[2],详见表1。

表1 ZZYN-16B型自力式压力调节阀试验数据分析表Table 1 Test data analysis for the ZZYN-16B self-pressure regulating valves

1.2 减压阀运行缺陷分析

福清核电站1～4号机组消防系统原设计采用减压阀为ZZYN-16B型自力式压力调节阀,该阀门采用的是双阀座、先导阀的结构形式(见图2)。

图2 ZZYN-16B可调式减压阀工作原理图Fig.2 The working principle of ZZYN-16Badjustable pressure relief valve

介质由阀体上箭头方向流经阀体,上游压力Pl经过滤器、截止阀进入先导阀作为驱动能源使用。受控的下游压力P2经导压管传送到先导阀检测室,并在此转换成定位力。根据弹簧预紧力的大小,定位力调整先导阀阀芯位置,当下游压力升高或降低时,使先导阀阀芯位移,介质进入主执行器压力的大小产生变化,使减压阀趋向开启或关闭,从而达到减压、稳压的目的。

1.2.1 阀门内漏

阀门密封性是阀门一项主要性能指标,阀门内漏的主要原因一般有如下3种。

(1)密封面与阀座配合不严密

ZZYN型减压阀是双阀座结构,任一密封面的密封不严密,均会导致阀门内漏,同时阀门经返厂维修时发现双作用面无法同时密封。造成此现象的原因有两种,一是阀门密封面加工精度不够,致使阀座与阀瓣无法完全啮合;二是密封材料装配缺陷,阀门动作导致密封材料移位。上述阀门在经过特殊工艺反复处理,保证密封面精度,并通过重新装配密封材料后验证,泄漏率满足要求。

(2)杂质导致阀门无法实现密封

消防水在核电厂正常工况下长期处于静止状态且无法保养的特点致使水体中微生物孽生及铁锈积聚,造成减压阀的应用环境较为恶劣。阀门动作过程中,部分杂质滞留在密封面上间接导致的密封面与阀座的配合不严密是造成阀门内漏的一大原因。同时,根据阀门结构可知,此类减压阀在打开过程中,消防水流经阀杆会产生异物缠绕的现象,导致阀门无法实现密封。而ZZYN-16B型减压阀复杂的双阀座结构的特点又使得上下阀瓣任何一面被杂质卡涩,都会影响上下阀瓣的密封性,进一步增加了内漏的概率。所以,双阀座结构类型的减压阀不适用于介质环境较为复杂的消防系统中,更多用于蒸汽等汽、气体系统。

(3)密封材料的影响

ZZYN-16B型减压阀密封材料为增强聚四氟乙烯,此复合材料耐磨性好,具有良好的耐化学性能和较高的机械性能,但存在耐蠕变性差的缺点[3]。阀门在关闭过程中,受杂质影响,密封材料产生形变无法恢复,造成阀门无法实现密封,也是阀门内漏的潜在因素。

1.2.2 阀门动作不够灵敏

除阀门内漏外,阀门动作不够灵敏是造成管网下游压力不满足要求的另一主要原因。

(1)控制回路布置对阀门灵敏性影响

如图2所示,当P2压力过低时,先导阀腔室压力过低,无法克服弹簧力,导阀阀瓣打开,使得P1的流体流经先导阀后进入膜片腔室A,在膜片腔室A与B之间设置的节流阀,避免了B腔室同时进等量的水造成阀门无法动作。A、B腔室形成的压差使得主阀打开,P2由于流体的补充逐渐上升。当P2压力即将达到设计要求压力时,导阀阀瓣关闭,与此同时膜片腔B腔室压力上升,但此时膜片腔A腔室保留之前的压力,同时在节流阀的作用下,无法很快将压力卸掉,造成A、B腔室压差建立延迟,也就造成了主阀关闭的延迟,使得阀后压力超压。

(2)阀门填料的影响为防止减压阀外漏,ZZYN型减压阀在阀杆与阀座间采取填料密封,填料在压盖压力作用下,使其紧密与阀杆接触,防止介质外泄。阀门在动作过程中,要克服填料密封阻力,使得阀杆的启闭力矩加大,无疑增加了阀门动作时间。

综上可知,ZZYN型减压阀因其特有的双阀座结构、复杂的管路布置等结构特性,并不适用运行环境恶劣、响应要求迅速的电厂消防系统。

2 减压阀选型变更实施效果分析

为保证电厂消防系统的稳定可靠运行,针对ZZYN型减压阀内漏、阀后压力无法满足设计要求的缺陷进行多次维修,经试验分析论证,认为ZZYN型减压阀存在固有缺陷无法满足消防系统的设计要求,经调研及参考同行电站的运行经验,福清核电消防系统对减压阀进行了换型,改进后的减压阀采用的是Y741X-16C型减压阀。

考虑减压阀运行环境恶劣,不同于ZZYN型减压阀,该阀为单阀座结构,极大减小了阀门内漏出现的概率。阀门控制回路的布置简易,有利于控制介质的迅速补充和排放,保证了阀门动作的灵敏性。此外,该阀利用针型调节阀、导阀进行水压自力控制,不需要附加其他装置和能源,受进口压力和流量影响小,压力控制准确度高,减压稳压可靠。此阀特性分析如下。

(1)良好的密封性能

不同于增强聚四氟乙烯,Y741X减压阀密封材料为三元乙丙橡胶(EPDM)。虽然聚四氟乙烯耐磨性好,且具备较高的机械性能,但耐蠕变性差的缺点制约其在消防系统中的使用。而EPDM具有耐老化、耐腐蚀的特性,同时作为弹性体密封材料,广泛适用于嵌缝、密封等工业场合,国内消防系统阀门多采用EPDM为密封材料[3-5],取得了良好的运行业绩。除此之外,阀芯的生产、装配参考国外先进技术,采用改进型阀座密封面研磨和阀芯装配工艺,加上单阀座单密封面的阀体结构,降低了内漏的概率,能够较好地适应恶劣的运行环境。

同时如图3所示,Y741X型减压阀出口为无阻式阀口,阀门打开过程中阀瓣上移,消防水直接流向出口,不经过阀杆从而不会造成异物的缠绕影响阀门密封。相对于ZZYN型减压阀,此种结构类型的减压阀显然更适合环境恶劣的消防系统使用。

图3 Y741X-16C型减压阀工作原理图Fig.3 The working principle of Y741X-16C adjustable pressure relief valve

(2)阀门动作灵敏保证阀后压力

如图3所示,Y741X型减压阀,其主阀的开启或关闭受制于主阀腔室是否排水。下游压力高于导阀的设定值,则阻止主阀腔室排水,主阀关闭;下游压力低于导阀的设定值,则主阀腔室排水,主阀打开。管路布置较为简易,不存在ZZYN型减压阀压力传递缓慢导致阀门动作迟缓现象。

Y741X型减压阀,其上下腔室通过EPDM+腈纶网材质的膜片隔离,该膜片良好的耐老化性及密封性[4],保证了上下腔室之间的密封可靠;同时,整个阀芯被阀盖包络在内,保证了上腔室与外界之间的密封,有效降低阀门外漏的可能性[5]。这种屏蔽式密封结构避免采用填料方式实现密封,阀门的动作无需考虑ZZYN型减压阀填料密封引出的摩擦等阻力,阀门动作所需克服的摩擦大为减小,保证了阀门动作仅需考虑膜片上下压差,也就保证了灵敏性。

完成阀门更换后,对Y741X-16C型减压阀进行了与原减压阀相同的运行试验。试验同样分为静态、小流量以及大流量3种工况[6],试验结果满足要求(见表2)。

表2 Y741X-16C型减压阀试验数据分析表Table 2 Test data analysis for the Y741X-16C pressure relief valve

综上分析及试验结果,Y741X型减压阀性能良好,未出现动作迟缓及超压现象,能够有效地保证现场消防系统的安全、稳定运行。

3 结 论

通过对两种不同结构的减压阀进行比对分析发现,受工艺水平的限制,ZZYN型减压阀在阀门密封面精加工、密封材料装配等水平上有所欠缺,在阀体结构及导阀控制上的固有缺陷使得其并不适用电厂消防系统。而Y741X型减压阀,无论从阀体结构、控制回路还是运行表现,都较好地解决了阀门内漏、动作迟缓等问题,确保了消防系统的安全、稳定运行。同时可见,正确的设备选型对于系统功能的实现意义重大,设备在选择过程中,不仅考虑阀门自身性能特征,还要结合阀门的运行环境,综合全面的分析,实现选型方案的最优化。