核電廠消防系統(tǒng)減壓閥運(yùn)行缺陷分析及解決措施

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

核電廠消防系統(tǒng)用水,由消防水生產(chǎn)系統(tǒng)的消防水泵輸送至各個(gè)廠房。相對(duì)于其他廠房消防水的壓力等級(jí),BOP子項(xiàng)的消防水等級(jí)較低,由常規(guī)島消防水系統(tǒng)經(jīng)過3臺(tái)減壓閥,將1.12 MPa(g)的消防水減壓至0.80 MPa(g)后供給BOP各子項(xiàng)以及室外消火栓[1],如圖1所示。

圖1 消防系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig.1 The flow chart of the fire protection system

消防水在非火災(zāi)事故期間的長(zhǎng)期不流動(dòng),致使水質(zhì)逐漸惡化,減壓閥運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣;下游BOP子項(xiàng)對(duì)消防系統(tǒng)的需求,又要求系統(tǒng)減壓閥能夠快速響應(yīng)下游壓力變化、具備良好的密封性能以保證電廠消防系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1 原減壓閥運(yùn)行情況與分析

1.1 減壓閥運(yùn)行情況

在消防系統(tǒng)運(yùn)行期間,減壓閥先后出現(xiàn)內(nèi)漏、閥后超壓等現(xiàn)象,造成現(xiàn)場(chǎng)消防系統(tǒng)多次出現(xiàn)承壓部件松脫跑水。

經(jīng)過不同工況下的調(diào)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),511VE先后出現(xiàn)了內(nèi)漏,大流量試驗(yàn)時(shí),閥后壓力上升至1.30 MPa(g),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求的0.80 MPa(g),也高于下游管道的試驗(yàn)壓力1.20 MPa(g)。434VE與507VE在進(jìn)行大流量試驗(yàn)時(shí),閥后壓力分別達(dá)到1.30 MPa(g)和 0.85 MPa(g),導(dǎo)致了下游安全閥的動(dòng)作。

上述試驗(yàn)結(jié)果,均不滿足國(guó)標(biāo)要求[2],詳見表1。

表1 ZZYN-16B型自力式壓力調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表Table 1 Test data analysis for the ZZYN-16B self-pressure regulating valves

1.2 減壓閥運(yùn)行缺陷分析

福清核電站1～4號(hào)機(jī)組消防系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用減壓閥為ZZYN-16B型自力式壓力調(diào)節(jié)閥,該閥門采用的是雙閥座、先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)形式(見圖2)。

圖2 ZZYN-16B可調(diào)式減壓閥工作原理圖Fig.2 The working principle of ZZYN-16Badjustable pressure relief valve

介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體,上游壓力Pl經(jīng)過濾器、截止閥進(jìn)入先導(dǎo)閥作為驅(qū)動(dòng)能源使用。受控的下游壓力P2經(jīng)導(dǎo)壓管傳送到先導(dǎo)閥檢測(cè)室,并在此轉(zhuǎn)換成定位力。根據(jù)彈簧預(yù)緊力的大小,定位力調(diào)整先導(dǎo)閥閥芯位置,當(dāng)下游壓力升高或降低時(shí),使先導(dǎo)閥閥芯位移,介質(zhì)進(jìn)入主執(zhí)行器壓力的大小產(chǎn)生變化,使減壓閥趨向開啟或關(guān)閉,從而達(dá)到減壓、穩(wěn)壓的目的。

1.2.1 閥門內(nèi)漏

閥門密封性是閥門一項(xiàng)主要性能指標(biāo),閥門內(nèi)漏的主要原因一般有如下3種。

(1)密封面與閥座配合不嚴(yán)密

ZZYN型減壓閥是雙閥座結(jié)構(gòu),任一密封面的密封不嚴(yán)密,均會(huì)導(dǎo)致閥門內(nèi)漏,同時(shí)閥門經(jīng)返廠維修時(shí)發(fā)現(xiàn)雙作用面無法同時(shí)密封。造成此現(xiàn)象的原因有兩種,一是閥門密封面加工精度不夠,致使閥座與閥瓣無法完全嚙合;二是密封材料裝配缺陷,閥門動(dòng)作導(dǎo)致密封材料移位。上述閥門在經(jīng)過特殊工藝反復(fù)處理,保證密封面精度,并通過重新裝配密封材料后驗(yàn)證,泄漏率滿足要求。

(2)雜質(zhì)導(dǎo)致閥門無法實(shí)現(xiàn)密封

消防水在核電廠正常工況下長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(tài)且無法保養(yǎng)的特點(diǎn)致使水體中微生物孽生及鐵銹積聚,造成減壓閥的應(yīng)用環(huán)境較為惡劣。閥門動(dòng)作過程中,部分雜質(zhì)滯留在密封面上間接導(dǎo)致的密封面與閥座的配合不嚴(yán)密是造成閥門內(nèi)漏的一大原因。同時(shí),根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)可知,此類減壓閥在打開過程中,消防水流經(jīng)閥桿會(huì)產(chǎn)生異物纏繞的現(xiàn)象,導(dǎo)致閥門無法實(shí)現(xiàn)密封。而ZZYN-16B型減壓閥復(fù)雜的雙閥座結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)又使得上下閥瓣任何一面被雜質(zhì)卡澀,都會(huì)影響上下閥瓣的密封性,進(jìn)一步增加了內(nèi)漏的概率。所以,雙閥座結(jié)構(gòu)類型的減壓閥不適用于介質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜的消防系統(tǒng)中,更多用于蒸汽等汽、氣體系統(tǒng)。

(3)密封材料的影響

ZZYN-16B型減壓閥密封材料為增強(qiáng)聚四氟乙烯,此復(fù)合材料耐磨性好,具有良好的耐化學(xué)性能和較高的機(jī)械性能,但存在耐蠕變性差的缺點(diǎn)[3]。閥門在關(guān)閉過程中,受雜質(zhì)影響,密封材料產(chǎn)生形變無法恢復(fù),造成閥門無法實(shí)現(xiàn)密封,也是閥門內(nèi)漏的潛在因素。

1.2.2 閥門動(dòng)作不夠靈敏

除閥門內(nèi)漏外,閥門動(dòng)作不夠靈敏是造成管網(wǎng)下游壓力不滿足要求的另一主要原因。

(1)控制回路布置對(duì)閥門靈敏性影響

如圖2所示,當(dāng)P2壓力過低時(shí),先導(dǎo)閥腔室壓力過低,無法克服彈簧力,導(dǎo)閥閥瓣打開,使得P1的流體流經(jīng)先導(dǎo)閥后進(jìn)入膜片腔室A,在膜片腔室A與B之間設(shè)置的節(jié)流閥,避免了B腔室同時(shí)進(jìn)等量的水造成閥門無法動(dòng)作。A、B腔室形成的壓差使得主閥打開,P2由于流體的補(bǔ)充逐漸上升。當(dāng)P2壓力即將達(dá)到設(shè)計(jì)要求壓力時(shí),導(dǎo)閥閥瓣關(guān)閉,與此同時(shí)膜片腔B腔室壓力上升,但此時(shí)膜片腔A腔室保留之前的壓力,同時(shí)在節(jié)流閥的作用下,無法很快將壓力卸掉,造成A、B腔室壓差建立延遲,也就造成了主閥關(guān)閉的延遲,使得閥后壓力超壓。

(2)閥門填料的影響為防止減壓閥外漏,ZZYN型減壓閥在閥桿與閥座間采取填料密封,填料在壓蓋壓力作用下,使其緊密與閥桿接觸,防止介質(zhì)外泄。閥門在動(dòng)作過程中,要克服填料密封阻力,使得閥桿的啟閉力矩加大,無疑增加了閥門動(dòng)作時(shí)間。

綜上可知,ZZYN型減壓閥因其特有的雙閥座結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的管路布置等結(jié)構(gòu)特性,并不適用運(yùn)行環(huán)境惡劣、響應(yīng)要求迅速的電廠消防系統(tǒng)。

2 減壓閥選型變更實(shí)施效果分析

為保證電廠消防系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,針對(duì)ZZYN型減壓閥內(nèi)漏、閥后壓力無法滿足設(shè)計(jì)要求的缺陷進(jìn)行多次維修,經(jīng)試驗(yàn)分析論證,認(rèn)為ZZYN型減壓閥存在固有缺陷無法滿足消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,經(jīng)調(diào)研及參考同行電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),福清核電消防系統(tǒng)對(duì)減壓閥進(jìn)行了換型,改進(jìn)后的減壓閥采用的是Y741X-16C型減壓閥。

考慮減壓閥運(yùn)行環(huán)境惡劣,不同于ZZYN型減壓閥,該閥為單閥座結(jié)構(gòu),極大減小了閥門內(nèi)漏出現(xiàn)的概率。閥門控制回路的布置簡(jiǎn)易,有利于控制介質(zhì)的迅速補(bǔ)充和排放,保證了閥門動(dòng)作的靈敏性。此外,該閥利用針型調(diào)節(jié)閥、導(dǎo)閥進(jìn)行水壓自力控制,不需要附加其他裝置和能源,受進(jìn)口壓力和流量影響小,壓力控制準(zhǔn)確度高,減壓穩(wěn)壓可靠。此閥特性分析如下。

(1)良好的密封性能

不同于增強(qiáng)聚四氟乙烯,Y741X減壓閥密封材料為三元乙丙橡膠(EPDM)。雖然聚四氟乙烯耐磨性好,且具備較高的機(jī)械性能,但耐蠕變性差的缺點(diǎn)制約其在消防系統(tǒng)中的使用。而EPDM具有耐老化、耐腐蝕的特性,同時(shí)作為彈性體密封材料,廣泛適用于嵌縫、密封等工業(yè)場(chǎng)合,國(guó)內(nèi)消防系統(tǒng)閥門多采用EPDM為密封材料[3-5],取得了良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)。除此之外,閥芯的生產(chǎn)、裝配參考國(guó)外先進(jìn)技術(shù),采用改進(jìn)型閥座密封面研磨和閥芯裝配工藝,加上單閥座單密封面的閥體結(jié)構(gòu),降低了內(nèi)漏的概率,能夠較好地適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境。

同時(shí)如圖3所示,Y741X型減壓閥出口為無阻式閥口,閥門打開過程中閥瓣上移,消防水直接流向出口,不經(jīng)過閥桿從而不會(huì)造成異物的纏繞影響閥門密封。相對(duì)于ZZYN型減壓閥,此種結(jié)構(gòu)類型的減壓閥顯然更適合環(huán)境惡劣的消防系統(tǒng)使用。

圖3 Y741X-16C型減壓閥工作原理圖Fig.3 The working principle of Y741X-16C adjustable pressure relief valve

(2)閥門動(dòng)作靈敏保證閥后壓力

如圖3所示,Y741X型減壓閥,其主閥的開啟或關(guān)閉受制于主閥腔室是否排水。下游壓力高于導(dǎo)閥的設(shè)定值,則阻止主閥腔室排水,主閥關(guān)閉;下游壓力低于導(dǎo)閥的設(shè)定值,則主閥腔室排水,主閥打開。管路布置較為簡(jiǎn)易,不存在ZZYN型減壓閥壓力傳遞緩慢導(dǎo)致閥門動(dòng)作遲緩現(xiàn)象。

Y741X型減壓閥,其上下腔室通過EPDM+腈綸網(wǎng)材質(zhì)的膜片隔離,該膜片良好的耐老化性及密封性[4],保證了上下腔室之間的密封可靠;同時(shí),整個(gè)閥芯被閥蓋包絡(luò)在內(nèi),保證了上腔室與外界之間的密封,有效降低閥門外漏的可能性[5]。這種屏蔽式密封結(jié)構(gòu)避免采用填料方式實(shí)現(xiàn)密封,閥門的動(dòng)作無需考慮ZZYN型減壓閥填料密封引出的摩擦等阻力,閥門動(dòng)作所需克服的摩擦大為減小,保證了閥門動(dòng)作僅需考慮膜片上下壓差,也就保證了靈敏性。

完成閥門更換后,對(duì)Y741X-16C型減壓閥進(jìn)行了與原減壓閥相同的運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)同樣分為靜態(tài)、小流量以及大流量3種工況[6],試驗(yàn)結(jié)果滿足要求(見表2)。

表2 Y741X-16C型減壓閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表Table 2 Test data analysis for the Y741X-16C pressure relief valve

綜上分析及試驗(yàn)結(jié)果,Y741X型減壓閥性能良好,未出現(xiàn)動(dòng)作遲緩及超壓現(xiàn)象,能夠有效地保證現(xiàn)場(chǎng)消防系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié) 論

通過對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的減壓閥進(jìn)行比對(duì)分析發(fā)現(xiàn),受工藝水平的限制,ZZYN型減壓閥在閥門密封面精加工、密封材料裝配等水平上有所欠缺,在閥體結(jié)構(gòu)及導(dǎo)閥控制上的固有缺陷使得其并不適用電廠消防系統(tǒng)。而Y741X型減壓閥,無論從閥體結(jié)構(gòu)、控制回路還是運(yùn)行表現(xiàn),都較好地解決了閥門內(nèi)漏、動(dòng)作遲緩等問題,確保了消防系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)可見,正確的設(shè)備選型對(duì)于系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)意義重大,設(shè)備在選擇過程中,不僅考慮閥門自身性能特征,還要結(jié)合閥門的運(yùn)行環(huán)境,綜合全面的分析,實(shí)現(xiàn)選型方案的最優(yōu)化。