秦山三厂辅助凝结水泵入口膨胀节优化改造

马弘杰

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

在正常功率运行时，主凝结水泵将凝汽器热阱中的凝结水经过轴封冷却器和两列并列运行的低压给水加热器组输送至除氧器情况。 在电厂启动、停运或丧失IV 级电源等异常运行工况时， 辅助凝结水泵将凝汽器热阱中的凝结水经辅助液位控制阀及管道直接输送至除氧器，以维持除氧器的液位，辅助凝结水泵能提供4%FP 的凝结水流量。 辅助凝结水泵为8 级直立密封多级叶片泵，额定流量44.8 kg/s，扬程119 m，位于TB 最底层的012 区域。

本文通过多个小节详细剖析辅助凝结水泵入口膨胀节现场工况、缺陷情况、改造方案及运行响应。

1 辅助凝结水泵及其入口膨胀节功能介绍

1.1 辅助凝结水泵功能介绍

蒸汽在汽机里做功后经CCW 冷凝成凝结水，积聚在凝汽器底部（凝汽器热阱），凝汽器热阱里的凝结水经主凝泵送经轴封冷却器（管侧）、除氧器液位控制阀、低加疏水冷却器（管侧）、1#/2#/3#低加（管侧）后，到达除氧器。上述从凝汽器热阱开始直至到达除氧器即为凝结水系统的主要流程。 另外，该系统还包括凝泵再循环管线、 凝汽器喉部喷淋 （旁排动作时提供冷却）、低压缸喷淋、轴封冷却器的紧急喷淋及凝泵和主给水泵入口滤网冲洗水管线等。

凝结水系统包括两台主凝泵、一台辅凝泵、三个除氧器主液位控制阀、一个除氧器辅助液位控制阀及其他一些阀门和系统管道组成。机组启动及其他一些低功率工况下，由辅凝泵从凝汽器热阱取水，经除氧器辅助液位控制阀直接送至除氧器， 辅凝泵能提供4%FP 的凝结水流量。 正常运行时，一台主凝泵运行，凝结水经主凝泵送经轴封冷却器（管侧），由两个除氧器液位控制阀进行调节，经低加疏水冷却器（管侧）、1#/2#/3#低加（管侧）后，到达除氧器，另一台主凝泵及辅凝泵处于备用位置。 主凝泵电机由四级电源5324-BUC/D 母线供电，而辅凝泵由三级电源5433-BUN 母线供电，四级电源失去后，辅凝泵会在2#备用柴油机启动后进行顺序带载。

凝汽器补排水系统包括凝汽器正常及紧急补水管线、排水管线，以及后备给水箱（RFT）的补水管线，及辅助给水泵的备用水回路。 正常运行时，二回路的汽水损失由后备给水箱通过正常的补水回路向凝汽器热阱提供补水，在紧急情况下，也可以从除盐水箱直接向凝汽器热阱提供紧急补水。在凝汽器热阱出现高液位时， 多余的水则由排水回路排至后备给水箱。后备给水箱还由除盐水分配泵通过后备给水箱的液位控制阀提供补水。 异常工况下，后备给水箱还可以为辅助给水泵提供一路备用水源。

1.2 辅助凝结水泵入口膨胀节功能介绍

膨胀节结构：8＂×L10.75＂的非核级法兰连接A240-321 材料金属波纹管膨胀节。

管线位置条件： 膨胀节安装在辅助凝泵的入口，其设计压力较低，为真空至0.05 MPa，

正常运行压力更低：为负压（-0.09 MPa）。

辅助凝结水泵的入口膨胀节在辅助凝结水泵启停和正常运行时能减少管道振动， 吸收系统冲击，保证系统安全稳定的运行。辅助凝结水泵入口膨胀节的处理保证了在各种工况下除氧器的上水，保证了二回路的水装量。也保证了一回路的热量能正常的通过蒸汽发生器导出， 保证了核电厂在3C 的原则下安全稳定的运行。

2 辅助凝结水泵入口膨胀节破损现象及其后果

2.1 辅助凝结水泵入口膨胀节破损故障描述

在现场实际运行期间，该类设备曾多次出现严重变形情况（波纹管拉长、弯曲、变形，出现“鼓包”的情况），膨胀节的该种损坏变形，导致其失效、无法正常工作，对机组的安全稳定运行带来很大的隐患。

2.2 辅助凝结水泵入口膨胀节故障风险分析

辅助凝结水泵入口直接连接到凝汽器，机组正常运行时，凝汽器内为真空，如果辅助凝结水泵入口膨胀节损坏导致入口管道对空，那么凝汽器真空会迅速恶化导致如下后果：

（1）随着真空下降，汽机负荷下降。

（2）当凝汽器真空达到13.3 kPa(a)时，开始闭锁CSDV 打开，16.9 kPa (a)CSDV 完全闭锁。 同时在13.3 kPa(a)时，备用真空泵自动启动。

（3）当凝汽器真空达到13.3 kPa(a)时，真空卸荷器开始动作， 调门开始关闭， 汽机负荷继续下降，SG压力上升，引起ASDV 打开。

（4）随着凝汽器真空进一步下降，汽机负荷低于90%FP时，ASDV排放容量不够，将导致CSDV 开启。

（5）由于CSDV 开度受限，当CSDV 开度不足以平衡堆机功率偏差时，将导致SG 压力进一步上升，导致Setback。

（6）当凝汽器压力达到22.7 kPa(a)时，真空卸荷器将汽机负荷卸为零。

（7）当凝汽器压力达到25.3 kPa(a)，会引起汽机脱扣，反应堆功率Setback 至60%。

（8）如果SG 压力继续上升，达到MSSV 开启值，则会导致MSSV 动作。 MSSV 动作后有可能不回座或者回座不严， 则会导致1#SDS 和2#SDS 动作。 如果MSSV 持续开启，会导致二次侧速冷，1 回路的压力和温度急剧降低，有可能达到ECC 动作值，导致ECC 系统动作。

（9）辅助凝结水泵在进行定期试验时如果发生入口膨胀节损坏，可能会造成本体和电机的损坏，也可能对附近的运行人员造成人身伤害。

3 辅助凝结水泵入口膨胀节故障原因分析

3.1 分析辅助凝结水泵入口膨胀节失效时所处的工况

起初两台机组的辅助凝泵入口膨胀节43210-EJ4004 为美国MICROFLEX 生产， 在多次出现此变形失效后，受委托南京晨光依据原设计要求进行了该金属膨胀节的备件制造， 然而在现场使用过程中，膨胀节也出现了相类似的失效状态。

为进一步确认该类设备变形失效的具体原因，对该类设备实施损坏变形失效分析和评估，再根据确定的失效原因，针对性的给出设计优化方案，为后续的正常备件采购提供试验验证和技术支持。

初步确定分析目标：

（1）分析该金属膨胀节的损坏有无制造原因；

（2）分析该金属膨胀节在设计工况下会否有目前的损坏可能；

（3）分析该金属膨胀节产生照片的损坏会是何种原因，并对完好的备件进行模拟。

根据失效件的变形情况，其内外周向屈服一致，分析并预判造成该失效形式的原因是膨胀节所受内部正压过高所致，可排除制造原因引起的金属膨胀节失效。

试验验证：对完好的膨胀节备件进行试验，包括抽真空试验和压力试验（正压）来确认膨胀节失效的原因。

试验内容：

首先，抽真空负压试验（压力值低于系统负压），观察膨胀节外观变化。

其次，若未发生失稳现象，则重新对膨胀节进行正压试验，直至发生柱状失稳，记录该压力数值。 （正压第一阶段：失稳）

最后，继续对该膨胀节进行水压试验直至爆破状态，记录该压力数值。 （正压第二阶段：爆破）

试验结果：

（1）负压试验：抽真空至4 KPa(a)时（低于系统负压），波纹管未发生明显变形、更没有失稳现象。

（2）正压试验：正压打至0.3 MPa 时，波纹管开始发生变形，0.4 MPa 时变形增大已失稳，卸压压力表回零后，波纹管有回弹，但仍失稳状态。 因此，此完好备件失稳形式与之前已失效的波纹管类似，只是失效波纹管变形更厉害，可以判断现场失效的波纹管正压肯定超过0.4 MPa。

（3）爆破试验：随着压力不断上升观察膨胀节的外观变化，压力升至1.5 MPa 时，波纹管变形严重，继续加压到2.0 MPa，压力突然骤降至1.5 MPa，此时继续补压，压力不上升，波纹管只发生形变，“鼓包”严重。

通过以上试验可知， 膨胀节失效非负压所致，而是正压过大远超过了膨胀节设计压力，导致了膨胀节变形失效，完好备件的爆破试验压力值为1.5 MPa，此时之前的失效件外观一样。

3.2 分析导致辅助凝结水泵入口膨胀节失效的原因

通过比较1、2 号机组执行辅助凝结水泵定期试验的数据，可看出1 号机组出口流量在启泵瞬间达到38kg/s，又突降到0，原因如下：

（1）辅助凝结水泵出口电动阀4321-MV4116 没有全关或有内漏，使得辅助凝结水泵并不是一个关阀启泵的状态，导致启泵瞬间有一个流量突升；

（2）除 氧 器 辅 助 液位控制器64321-LC4224 的LOOP1 和LOOP2 设定值分别为LOOP1：41.36 kg/s，LOOP2：3380 mm。因为1 号机组除氧器液位始终低于3380 mm， 导致LC4224 长时间积分， 控制器输出为42%。 所以启泵瞬间，只要出口阀打开，就会有很大的流量通过，从而有一个流量的突升。

（3）在凝泵出口流量达到41.36 kg/s 后，控制器输出才开始下降。 流量突降到0，导致系统内发生水锤，产生瞬间的超过设计压力的高压力，导致入口膨胀节损坏。

4 辅助凝结水泵入口膨胀节改造详细方案及定期试验时的响应

4.1 辅助凝结水泵入口膨胀节改造详细方案

原膨胀节在0.3 MPa 下就出现变形， 本方案将膨胀节的设计压力提高至0.5 Mpa， 采用增加壁厚，改变波形参数等方法提高膨胀节的强度和抗压能力， 可以确保其在0.5 MPa 下能正常使用， 在0.75 MPa 试验压力下不会失稳， 理论上其爆破压力值将大于1.5 MPa。

此设计方案较原膨胀节的承压能力有很大的提高，但是否适用于现场， 需要长期监测现场压力波动的数值，明确压力波动的原因，然后再进行针对性的设计。

4.2 辅助凝结水泵运行响应

辅助凝泵启动试验98-91140-OM-760 是强制性试验，试验周期31 天。 在试验时应注意以下几点：

（1）运行人员通过对泵入口管道进行充水排气来保证泵入口管线满水；

（2）在定期试验开始之前联系维修人员对泵的出口阀进行手动摇关，保证出口阀关严；

（3）启动辅凝泵前，将64321-LC4224 置于MAN，手动调节输出到0，再置于AUTO，确认其输出保持在0。

通过这几种措施来保证启泵时不会产生瞬间的高压力，从而防止入口膨胀节变形失效。 如果在实验时发现辅助凝结水泵入口膨胀节有明显变形，应及时停止试验，并恢复试验前状态，发缺陷联系维修评估入口膨胀节变形情况及是否可以继续运行。如果入口膨胀节发生破损， 应及时关闭泵入口阀4321-V4688和泵排气阀4321-V4618，防止凝汽器真空恶化。

根据运行分析，辅助凝结水泵出口管线位置比凝汽器高，因为泵出口阀，出口逆止阀内漏，导致这一段管线内凝结水被排空，泵启动时产生水锤，造成入口膨胀节损坏。 这是其损坏的其根本。

5 结语

辅助凝结水泵在核电厂正常满功率运行和事故工况下的作用十分重大。辅助凝结水泵的入口膨胀节在辅助凝结水泵启停和正常运行时能减少管道振动，吸收系统冲击，保证系统安全稳定的运行。 辅助凝结水泵入口膨胀节缺陷的处理保证了在各种工况下除氧器的上水，保证了二回路的水装量。 也保证了一回路的热量能正常的通过蒸汽发生器导出，保证了核电厂在3C 的原则下安全稳定的运行。 辅助凝结水泵出口管线位置比凝汽器高，因为泵出口阀，出口逆止阀内漏，导致这一段管线内凝结水被排空，泵启动时产生水锤，造成入口膨胀节损坏。