穩壓器噴淋閥盤根引漏管泄漏問題原因分析及改進

2020-08-11 08:18:59謝男泉楊軍

裝備維修技術 2020年34期

謝男泉楊軍

摘要：國內某核電廠大修發現穩壓器噴淋閥盤根引漏管存在硼結晶，進一步發現引漏管裂紋故障。文章針對這一故障，從盤根泄漏原因、引漏管裂紋分析兩個方面進行故障原因查找，提出相應改進方案，并推廣至群廠反饋處理，成功解決了此類共性問題。

關鍵詞：穩壓器噴淋閥;引漏管裂紋;盤根泄漏;原因分析;改進方案

引言

壓水堆核電機組的穩壓器噴淋閥是用來輔助控制一回路冷卻劑壓力，以保證反應堆在正常功率變化及中、小事故工況下反應堆安全穩定。每臺機組有兩個噴淋閥，噴淋閥正常運行時保持連續的噴霧流量從而減少噴霧管和波動管的熱應力，并有助于在穩壓器中維持均勻的水化學和溫度（極化運行）。穩壓器噴淋閥盤根出現泄漏，將會導致穩壓器卸壓箱水位持續上漲，一回路泄漏率出現高報警，泄漏率最高達到210L/h時，影響機組穩定運行，機組存在潛在停機停堆風險。

1.故障背景

2018-2019年，國內某核電站多機組大修時均發現穩壓器噴淋閥盤根引漏管有硼結晶（如圖1），進一步檢查發現引漏管存在裂紋（如圖2）。

穩壓器噴淋閥為法國EMERSON（FISHER）廠家生產的氣動調節閥，氣動執行機構為隔膜正作用式，閥體密封結構為半球型結構。該閥門臥式安裝，其盤根引漏管位于閥門下方，閥體距地面約350mm。閥門的盤根分為前部和后部兩組盤根，前部盤根作用是將閥體內的介質密封在閥腔內，后部盤根作用是阻擋由前部盤根滲漏出來的介質繼續向閥體外漏。盤根引漏管的作用是將前部盤根滲漏出來的介質引流至RCP002BA，最終將泄漏的介質收集至廢液處理系統（如圖3）。

盤根引漏管由閥門廠家生產并隨閥體一起供貨的，尺寸為1/2”， SCH40 304L不銹鋼管道，長約150mm，RCCM等級為NC級。其上部與閥體的連接方式為焊接，下部通過活接與下游管道連接（如圖4）。

2.原因分析

通過現場勘察及對系統管線布置進行分析，日常運行期間，噴淋閥處于最小流量開度，閥腔內為高溫高壓水（285℃，155bar），正常情況下盤根引漏管內無介質，常溫常壓。但當盤根出現輕微滲漏時，高溫高壓水通過盤根引漏管流入RCP002BA。如果引漏管存在裂紋，將有部分介質產生外漏形成硼結晶。

2.1 盤根泄漏的原因

在調節閥的維修活動中，因盤根引起的故障比較常見，調節閥在系統中隨時處于調節狀態，故調節閥動作頻繁，對盤根的各項性能有很高的要求。盤根的密封原理主要在于軸承效應和迷宮效應。根據盤根相關設計資料以及實踐經驗來看，影響盤根泄漏的因素主要有盤根選型、盤根配合組件密封面缺陷、盤根安裝問題、盤根老化松弛等。

1）盤根選型

根據填料函設計相關資料和手冊[1]，得出填料的主密封壓力計算式為：

式中：

Pr—填料徑向壓力，MPa; ?P0—填料壓蓋處壓力，MPa;

K—填料應力比值（應力系數）; ?d0—填料函孔直徑，mm;

d1—閥桿直徑，mm; ?S—填料深度，mm;

u1—填料與閥桿間的動摩擦系數; ?u2 —填料與填料函的靜摩擦系數。

從上述公式可以看出填料的主密封壓力（即徑向壓力）分布隨著填料深度的增加而按指數規律降低，同時填料與閥桿及填料函之間存在靜摩擦力，填料受到軸向壓力分布是隨著填料深度的增加而逐道遞減的（如圖5）。

穩壓器噴淋閥盤根是跟隨閥門本體一起供貨，由4道柔性編制石墨盤根和7道純石墨環組成，為雙層隔離式填料結構。其中前部盤根共7道（2個編織盤根+5個石墨環），起主要密封作用;后部盤根共4道（2編織盤根+2石墨環），起輔助密封作用;前后兩組盤根中間由一個帶孔燈籠環分隔，起引流前部盤根泄漏的介質（如圖6）。此種設計方案允許盤根有一定的泄漏量。根據電站運行規范對于RCP002BA液位上漲速率標準討論給出的RCP002BA液位上漲速率控制標準為<10mm/d（對應一回路泄漏率<6.25L/h）。

在盤根數量較多（11道盤根）時，較大的靜摩擦力使得盤根緊固力矩無法有效傳遞到里側第一層7道盤根。當總的盤根摩擦力達到標準值時，而后部4道盤根受力過大，前部第一層7道盤根受力較小。閥門運行一段時間后，由于盤根的老化和磨損，前部盤根受到的擠壓力降低，與閥桿及盤根腔擠壓變形變小，密封能力降低，易產生輕微泄漏。目前核級閥門盤根[2]常用編織盤根按性能由一般到優秀有碳纖維編織盤根、增強石墨編織盤根、金屬絲增強柔性石墨編織盤根，常用的純石墨環形式按性能由一般到優秀有平口環、錐形環、V形環。目前核電機組重要調節閥多已經完成閥門盤根國產換型V型盤根替代，替代后盤根硼結晶出現頻次明顯降低。

2）盤根配合組件缺陷分析

由盤根安裝結構可知，盤根發生泄漏主要通過盤根與閥桿或者填料函的接觸面產生泄漏，當閥桿或者填料函的密封面出現貫穿性缺陷時，盤根更容易發生泄漏。根據實踐經驗，總結盤根配合組件密封面缺陷主要有如下幾種情況：

1）閥桿彎曲：閥門開關時閥桿不對中可能會使閥桿彎曲，使盤根泄漏。

2）閥桿表面光潔度差：因異物或制造缺陷造成閥桿損壞，使盤根泄漏。

3）填料函有缺陷：函內壁因損壞/銹蝕等損傷密封面，使盤根泄漏。

噴淋閥解體檢查反饋，噴淋閥閥桿未見彎曲，閥桿表面和填料函內壁光潔度很好，所以可以排除因為盤根配合組件密封面缺陷造成盤根泄漏的可能性。

3）安裝問題

調節閥盤根安裝要求是比較高的，盤根安裝不規范容易導致盤根受力不均，盤根摩檫力過大問題，盤根緊固力矩不足等也會造成調節閥盤根滲漏。穩壓器噴淋閥盤根緊固力矩是根據FLOWSCANNER試驗測量出的盤根摩擦力來進行確定的，推薦的盤根摩檫力范圍是110-140 daN。

為了排查盤根安裝是否存在問題，核實噴淋閥拆前校驗結果各項參數均合格，盤根摩擦力140daN，核對前一輪大修盤根安裝過程，沒有操作方式和安裝標準的變化。盤根的安裝方式進行了細化，均為逐道安裝，確保下部的盤根能夠獲得一定的預緊力。因此，排除了盤根安裝問題。

4）盤根老化松弛

閥門在線運行一段時間后，盤根都會表現出一定的應力松弛，直接表現為盤根力矩不同程度變小。究其原因，主要有：

一、盤根緊固時，作用在壓蓋螺母上的力矩向下壓縮盤根，使盤根受軸向力的作用。同時被壓縮的盤根向外膨脹擠壓閥桿和盤根腔室，產生了一個阻礙盤根向下運動的摩擦力。因此，越到盤根腔底部，盤根所受的軸向壓力越來越小，盤根與閥桿之間的摩擦力也就越來越小。在閥門動作一段時間后，上端盤根逐漸把一部分軸向力傳遞給底部盤根，使得軸向力的分布有所改善，再次校驗盤根時盤根力矩變小。

二、盤根與閥桿、盤根腔室之間屬輕微過盈配合。盤根一一安裝到盤根腔室并進行緊固過程中，相鄰兩盤根環之間的氣體被擠壓滲入盤根組織內部，閥門動作一段時間后，滲入盤根內部的氣體被閥桿帶出，從而致盤根發生應力松弛，這時盤根力矩也會變小。

噴淋閥在設計上已經加裝載荷補償碟簧，可以彌補盤根的應力松弛，同時噴淋閥目前的預防性解體更換盤根的大綱周期為3C，周期較短，進一步防止盤根的應力松弛。因此，盤根老化松弛對于泄漏影響不大。

小結

綜上所述，噴淋閥盤根泄漏的主要原因在于盤根選型上存在不足，同時盤根安裝不規范只是可能的影響因素，可以通過盤根固化安裝方法以及設計專用工具安裝等方式改進，減少盤根安裝問題的產生。盤根選型的替代也可以一定程度改善盤根的密封問題。

2.2引漏管裂紋原因分析

管道裂紋的故障模式比較多，結合現場情況，分析過程對如下可能原因進行逐一排查。

1）管線振動分析

通過上行噴淋試驗窗口，對閥門及管道進行測振，檢查同類閥門及管道振動情況，結果如表1所示：

從上述測振結果來看，管線振動情況優秀，故排除振動原因。

2）管道材質分析

對斷裂的噴淋閥引漏管進行光譜分析，結果與設計材質相符（如圖7），未見異常。

3）介質沖刷分析

通過反光鏡對兩臺機組的4根盤根引漏管目視檢查，發現有一根管道內壁有輕微隆起現象（如圖8），且隆起部位目視存在可見裂紋，現場判定未見沖蝕痕跡，懷疑為制造缺陷。其余三根管道內壁均未見沖刷痕跡，測量管道壁厚（如圖9），未見明顯管道壁厚異常。因此介質沖刷導致管道斷裂的可能性基本排除。

4）管線承壓分析

穩壓器噴淋閥盤根引漏管為非承壓管道，除非下游管線堵塞，盤根泄漏的介質會造成管線超壓，導致管道產生裂紋。但是經過現場核實，未發現堵塞情況。因此管道超壓導致管道斷裂的可能性可以排除。

5）管道微觀分析

為進一步探究管道裂紋的原因分析，分別截取兩個噴淋閥引漏管作為樣管：1號管樣（無裂紋等異常）、2號管樣（有多條裂紋），采用光學顯微鏡金相組織觀察及掃描電鏡表面觀察的方式進行微觀分析：其圖像顯示如圖10所示：

分析結果：1號管金相組織觀察及掃描電鏡觀察未發現異常問題。2號管金相組織觀察發現開裂部位的樣品存在多條裂紋，由內壁向外壁穿晶開裂，呈樹枝狀分叉;掃描電鏡檢查發現裂紋面由內壁向外壁穿晶開裂，無疲勞斷裂特征，存在腐蝕性元素氯。

對于發現的腐蝕性元素氯來源分析：噴淋閥的介質為嚴格控制氯元素的除鹽水，氯元素極低;另外，該閥門使用的核級盤根也是嚴格控制氯含量，因此，由介質或者盤根導致引漏管內存在氯元素的可能性較低。根據閥門檢修工作組反饋，在解體后使用自來水對外送分析的兩根引漏管進行去污和水壓試驗。因此，外送檢測發現的氯元素的來源為自來水引入的可能性較大，而造成應力腐蝕的氯元素的來源無法確定，不排除為廠家制造過程中的遺留。

6）管道硬度試驗

針對上述1、2號樣管

進行硬度測量實驗，測量數據見下圖11所示：

分析結果：1號樣管硬度滿足材料標注要求，2號樣管硬度值略高于GB/T14975的要求，且明顯高于1號管。

小結

通過上述的分析，斷裂的引漏管硬度異常超標，殘留較高的制造殘余應力，不排除在廠家制造殘留或者后續安裝運營階段引入氯元素加快了管道的腐蝕開裂。引漏管為廠家供整閥時自帶，與設備為同一廠家提供。綜上所述，穩壓器噴淋閥盤根引漏管斷裂的根本原因是制造缺陷。

3 處理方案及改進措施

綜合上述分析，針對穩壓器噴淋閥盤根引漏管硼結晶問題，最佳處理方案為直接更換噴淋閥盤根引漏管，同時檢查引漏管內部狀況，若有較多硼結晶泄漏時可更換閥門盤根。盤根安裝時適當改進安裝方法，增加驗收環節，確保盤根安裝質量可靠。推進噴淋閥盤根的替代，改進盤根的密封性能，減少盤根泄漏情況發生。

4 結論及建議

穩壓器噴淋閥是壓水堆核電機組一回路壓力控制的重要調節閥閥門，首次出現閥門盤根引漏管斷裂缺陷，本文對于此缺陷進行深入原因分析和論證，得出了如下結論：

4.1明確了引漏管硼結晶來源于噴淋閥盤根泄漏;

4.2提出噴淋閥盤根選型存在可改進空間，并提出了改進措施;