核電廠泵出口止回閥卡澀根本原因分析及對策

李 錢

蘇州熱工研究院有限公司 廣東 深圳 518000

1 引言

2016年6 月29 日,某核電廠執行A 列重要廠用水系統(SEC)從1SEC001PO切換到1SEC003PO 運行時,發現1SEC001PO 出口止回閥1SEC005VE卡澀導致無法自動關閉,閥門只關到80%的開度,后續現場運行人員手動關閉該止回閥。

SEC泵出口止回閥無法自動關閉,會使水倒灌進SEC泵,可能導致SEC泵反轉損壞。電廠自調試以來,總計發生了10多起上述類似事件。根據統計的結果,電廠1/2號機組SEC泵出口止回閥均發生過卡澀現象,經手動推動閥門拉桿,閥門可回座。

2 系統設備介紹

重要廠用水系統(SEC)的功能是把由設備冷卻水系統(RRI)收集的熱負荷輸送到最終熱阱—海水,為核安全相關系統。每臺機組中,SEC系統分為兩個相互獨立的系列(A系列和B系列)。兩個系列的設備和流程基本相同SEC系統的流程如圖1所示。系統的每個系列均由兩臺SEC泵并聯從海水過濾系統(CFI)吸入海水,經SEC管道、水生物捕集器及兩臺并聯的RRI/SEC熱交換器,將冷卻RRI后的海水排入SEC集水坑,再由排水管將其排往水渠入海。

SEC止回閥為旋啟式防水錘止回閥。閥軸通過擺臂與閥板固定連接,連桿通過銷軸與阻尼油缸連接。阻尼油缸主要由油缸、單向調速閥通過管路連接在一起,構成一個回路。通過單向調速閥實現閥門的快開、快關、慢關。SEC泵出口止回閥屬于非能動閥門,關閉時靠介質壓力和閥瓣重力關閉。其拉桿與阻尼油缸之間為銷軸連接,阻尼油缸與支座之間為耳軸連接,根據SEC泵出口止回閥的結構特點,列舉了所有SEC止回閥卡澀的故障部位及故障模式,見圖1所示。

圖1 SEC止回閥卡澀的故障部位及故障模式

初步現場檢查,故障模式可能性如下：

1)銷軸卡澀;2)填料阻力過大。

2.1 銷軸卡澀

對SEC逆止閥安裝結構進行檢查：

◆逆止閥銷軸防摩墊圈安裝方式和數量與圖紙不符;

◆閥門耦合套存在破損現象;

◆逆止閥銷軸在運行后存在軸向竄動現象。

2.2 填料阻力過大 根據核電廠SEC止回閥完工報告,出廠時只開展過空載動作試驗,未開展SEC止回閥多次帶載動作試驗,同時無法評價長期運行后磨損的填料對閥門關閉力矩的影響,根據經驗,EPDM 填料磨損后其摩擦系數會變大。

為此,根據RCCM 規范的計算公式和參考廠家原設計閥門尺寸,重新核算SEC止回閥摩擦力矩,詳細的計算過程如下：

1)閥門開啟力矩Mk必須滿足(不考慮流量推力影響)

Mk≥M0＋M1＋M2＋M3＋M4

式中

Mk—開啟力矩,N

M0—閥瓣密封組件重力矩,N

M1—閥桿與0形圈之間的摩擦力矩,N

M2—閥桿與填料之間的摩擦力矩,N

M3—軸承處摩擦力矩,N

M4—閥門拉桿重力矩,N

2)低壓差時,閥門關閉必須滿足

M0≥M1＋M2＋M3＋M4

3)閥門開啟力矩Mk計算

式中ΔPk—開啟壓差,根據單泵運行參數開啟壓差取0.016MPa

L1—閥瓣旋轉力臂,416mm

D0—閥瓣密封線直徑,582mm

經計算,Mk＝1771N

計算結果表明,止回閥開啟力矩Mk滿足設計要求。

4)閥瓣密封組件重力矩M0計算

M0＝G1·g·L1·cosθ＋G2·g·L2·cosθ

式中G1—閥瓣和螺母的重量,96.02(91.6＋4.42)Kg

L1—重力力臂,416mm

G2—搖臂重量,61.64Kg

L2—搖臂中心與閥軸中心距離,208mm

g—取9.8 N/kg

θ—旋轉角度,70°

經計算,M0＝177 N

5)閥桿與0形圈之間的摩擦力矩M1計算

式中d0—O形圈內徑,79mm

bm—O形圈直徑,3.5mm

Pk—SEC泵出口壓力,取0.3MPa

f1—O形圈與閥桿的摩擦系數,0.3

4道0形圈的摩擦力矩經計算,M1＝22.8 N

6)閥桿與填料之間的摩擦力矩M2計算

a)填料壓蓋螺栓相關參數

Ds：M20螺栓名義直徑,20mm;

Dw：M20螺母名義直徑,30mm;

n：壓蓋螺栓數量,2;

Cs：螺栓擰緊力矩,120 N?m。

b)填料函相關參數

Z：盤根數量,5;

h：單個盤根高度,7mm;

H：盤根總高度,35mm;

Di：盤根內徑,80mm;

Do：盤根外徑,106mm;

式中pitch—螺柱螺距,2.5mm

f2—螺紋之間的摩擦系數,0.15mm

f3—螺母與墊片之間的摩擦系數,0.18mm

Rma—螺母平均支撐半徑,

c)螺栓螺紋摩擦半徑計算KI

r —螺紋中徑一半,0.18mm

經計算,KI＝4.026mm

d)填料壓蓋螺栓軸向力Fv

Fv＝1000×Cs/KI

經計算,Fv＝29805N

e)填料受壓壓力P1

P1＝n×Fv/A

經計算,P1＝157 bar

f)填料底部受壓壓力P0

式中n1—填料側壓系數,1.4

u1—填料平均摩擦系數,0.3(0.2－0.4)

u—填料靜摩擦系數,1.15u1,0.345mm

f—摩擦系數,u/n1,0.246mm

經計算,P0＝29.8 bar

g)盤根的軸向摩擦力F1

經計算,F1＝18846 N

h)盤根摩擦力矩M2

經計算,M2＝754 N

7)軸承處摩擦力矩M3計算

M3＝(G1＋G2＋G3＋G4)·g·fc·Dc/2

式中G3—閥軸重量,44.56Kg

G4—閥門拉桿重量,24.25Kg

Dc—軸承處閥軸直徑,80 mm

fc—軸承處摩擦系數,0.15

經計算,M3＝13.3 N

8)閥門拉桿重力矩M4計算

M4＝G4·g·L3

式中L3—拉桿重心與閥軸中心垂直距離,取163mm

經計算,M4＝39.1 N

EDPM 填料壓蓋螺栓在摩擦系數分別為0.2和0.3,擰緊力矩分別為N和30 N的 計 算 結 果 表 明,EPDM 摩 擦 系 數 越 大,SEC止回閥閥桿填料處的摩擦力矩會逐漸變大。更換摩擦系數的填料后,比如聚四氟乙烯,壓蓋螺栓不同擰緊力矩下的摩擦力矩的計算結果表明,SEC止回閥閥桿填料處的摩擦力矩降至一定值才能小于閥瓣組件的重力矩。

由此可見,SEC止回閥設計計算考慮不足,導致閥門在低壓差時的關閉力矩不滿足要求。SEC止回閥快速關閉主要是通過回流介質壓力產生的作用力。一旦閥門由于阻力造成關閉時間過長或者回流介質大部分未經過閥瓣背面,閥門會出現卡澀現象。

3 分析結論

綜上,影響核電廠泵出口止回閥無法自動復位關閉的主要原因有：

1)止回閥設計計算考慮不足,導致閥門在低壓差時的關閉力矩不滿足要求;

2)逆止閥銷軸防摩墊圈安裝不規范,會造成閥門推桿銷軸部位產生過大阻力。

4 改進對策

基于上述調查分析結果,提出如下改進建議措施：

1)對止回閥閥軸伸出端的填料進行換型,選擇摩擦系數小的填料,如聚四氟乙烯填料。同時在能夠滿足設計要求的前提下,盡量減小止回閥填料壓蓋螺栓擰緊力矩,如30N,以增大閥門關閉力矩裕度(約50N);

2)對閥軸伸出端密封結構更換成O形圈密封,取消填料壓蓋,會進一步增大閥門關閉力矩裕度(約100N);

3)規范止回閥銷軸防摩墊圈安裝,消除閥門推桿產生過大阻力的部位。