秦山三廠輔助凝結水泵入口膨脹節優化改造

馬弘杰

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

在正常功率運行時，主凝結水泵將凝汽器熱阱中的凝結水經過軸封冷卻器和兩列并列運行的低壓給水加熱器組輸送至除氧器情況。 在電廠啟動、停運或喪失IV 級電源等異常運行工況時， 輔助凝結水泵將凝汽器熱阱中的凝結水經輔助液位控制閥及管道直接輸送至除氧器，以維持除氧器的液位，輔助凝結水泵能提供4%FP 的凝結水流量。 輔助凝結水泵為8 級直立密封多級葉片泵，額定流量44.8 kg/s，揚程119 m，位于TB 最底層的012 區域。

本文通過多個小節詳細剖析輔助凝結水泵入口膨脹節現場工況、缺陷情況、改造方案及運行響應。

1 輔助凝結水泵及其入口膨脹節功能介紹

1.1 輔助凝結水泵功能介紹

蒸汽在汽機里做功后經CCW 冷凝成凝結水，積聚在凝汽器底部（凝汽器熱阱），凝汽器熱阱里的凝結水經主凝泵送經軸封冷卻器（管側）、除氧器液位控制閥、低加疏水冷卻器（管側）、1#/2#/3#低加（管側）后，到達除氧器。上述從凝汽器熱阱開始直至到達除氧器即為凝結水系統的主要流程。 另外，該系統還包括凝泵再循環管線、 凝汽器喉部噴淋 （旁排動作時提供冷卻）、低壓缸噴淋、軸封冷卻器的緊急噴淋及凝泵和主給水泵入口濾網沖洗水管線等。

凝結水系統包括兩臺主凝泵、一臺輔凝泵、三個除氧器主液位控制閥、一個除氧器輔助液位控制閥及其他一些閥門和系統管道組成。機組啟動及其他一些低功率工況下，由輔凝泵從凝汽器熱阱取水，經除氧器輔助液位控制閥直接送至除氧器， 輔凝泵能提供4%FP 的凝結水流量。 正常運行時，一臺主凝泵運行，凝結水經主凝泵送經軸封冷卻器（管側），由兩個除氧器液位控制閥進行調節，經低加疏水冷卻器（管側）、1#/2#/3#低加（管側）后，到達除氧器，另一臺主凝泵及輔凝泵處于備用位置。 主凝泵電機由四級電源5324-BUC/D 母線供電，而輔凝泵由三級電源5433-BUN 母線供電，四級電源失去后，輔凝泵會在2#備用柴油機啟動后進行順序帶載。

凝汽器補排水系統包括凝汽器正常及緊急補水管線、排水管線，以及后備給水箱（RFT）的補水管線，及輔助給水泵的備用水回路。 正常運行時，二回路的汽水損失由后備給水箱通過正常的補水回路向凝汽器熱阱提供補水，在緊急情況下，也可以從除鹽水箱直接向凝汽器熱阱提供緊急補水。在凝汽器熱阱出現高液位時， 多余的水則由排水回路排至后備給水箱。后備給水箱還由除鹽水分配泵通過后備給水箱的液位控制閥提供補水。 異常工況下，后備給水箱還可以為輔助給水泵提供一路備用水源。

1.2 輔助凝結水泵入口膨脹節功能介紹

膨脹節結構：8＂×L10.75＂的非核級法蘭連接A240-321 材料金屬波紋管膨脹節。

管線位置條件： 膨脹節安裝在輔助凝泵的入口，其設計壓力較低，為真空至0.05 MPa，

正常運行壓力更低：為負壓（-0.09 MPa）。

輔助凝結水泵的入口膨脹節在輔助凝結水泵啟停和正常運行時能減少管道振動， 吸收系統沖擊，保證系統安全穩定的運行。輔助凝結水泵入口膨脹節的處理保證了在各種工況下除氧器的上水，保證了二回路的水裝量。也保證了一回路的熱量能正常的通過蒸汽發生器導出， 保證了核電廠在3C 的原則下安全穩定的運行。

2 輔助凝結水泵入口膨脹節破損現象及其后果

2.1 輔助凝結水泵入口膨脹節破損故障描述

在現場實際運行期間，該類設備曾多次出現嚴重變形情況（波紋管拉長、彎曲、變形，出現“鼓包”的情況），膨脹節的該種損壞變形，導致其失效、無法正常工作，對機組的安全穩定運行帶來很大的隱患。

2.2 輔助凝結水泵入口膨脹節故障風險分析

輔助凝結水泵入口直接連接到凝汽器，機組正常運行時，凝汽器內為真空，如果輔助凝結水泵入口膨脹節損壞導致入口管道對空，那么凝汽器真空會迅速惡化導致如下后果：

（1）隨著真空下降，汽機負荷下降。

（2）當凝汽器真空達到13.3 kPa(a)時，開始閉鎖CSDV 打開，16.9 kPa (a)CSDV 完全閉鎖。 同時在13.3 kPa(a)時，備用真空泵自動啟動。

（3）當凝汽器真空達到13.3 kPa(a)時，真空卸荷器開始動作， 調門開始關閉， 汽機負荷繼續下降，SG壓力上升，引起ASDV 打開。

（4）隨著凝汽器真空進一步下降，汽機負荷低于90%FP時，ASDV排放容量不夠，將導致CSDV 開啟。

（5）由于CSDV 開度受限，當CSDV 開度不足以平衡堆機功率偏差時，將導致SG 壓力進一步上升，導致Setback。

（6）當凝汽器壓力達到22.7 kPa(a)時，真空卸荷器將汽機負荷卸為零。

（7）當凝汽器壓力達到25.3 kPa(a)，會引起汽機脫扣，反應堆功率Setback 至60%。

（8）如果SG 壓力繼續上升，達到MSSV 開啟值，則會導致MSSV 動作。 MSSV 動作后有可能不回座或者回座不嚴， 則會導致1#SDS 和2#SDS 動作。 如果MSSV 持續開啟，會導致二次側速冷，1 回路的壓力和溫度急劇降低，有可能達到ECC 動作值，導致ECC 系統動作。

（9）輔助凝結水泵在進行定期試驗時如果發生入口膨脹節損壞，可能會造成本體和電機的損壞，也可能對附近的運行人員造成人身傷害。

3 輔助凝結水泵入口膨脹節故障原因分析

3.1 分析輔助凝結水泵入口膨脹節失效時所處的工況

起初兩臺機組的輔助凝泵入口膨脹節43210-EJ4004 為美國MICROFLEX 生產， 在多次出現此變形失效后，受委托南京晨光依據原設計要求進行了該金屬膨脹節的備件制造， 然而在現場使用過程中，膨脹節也出現了相類似的失效狀態。

為進一步確認該類設備變形失效的具體原因，對該類設備實施損壞變形失效分析和評估，再根據確定的失效原因，針對性的給出設計優化方案，為后續的正常備件采購提供試驗驗證和技術支持。

初步確定分析目標：

（1）分析該金屬膨脹節的損壞有無制造原因；

（2）分析該金屬膨脹節在設計工況下會否有目前的損壞可能；

（3）分析該金屬膨脹節產生照片的損壞會是何種原因，并對完好的備件進行模擬。

根據失效件的變形情況，其內外周向屈服一致，分析并預判造成該失效形式的原因是膨脹節所受內部正壓過高所致，可排除制造原因引起的金屬膨脹節失效。

試驗驗證：對完好的膨脹節備件進行試驗，包括抽真空試驗和壓力試驗（正壓）來確認膨脹節失效的原因。

試驗內容：

首先，抽真空負壓試驗（壓力值低于系統負壓），觀察膨脹節外觀變化。

其次，若未發生失穩現象，則重新對膨脹節進行正壓試驗，直至發生柱狀失穩，記錄該壓力數值。 （正壓第一階段：失穩）

最后，繼續對該膨脹節進行水壓試驗直至爆破狀態，記錄該壓力數值。 （正壓第二階段：爆破）

試驗結果：

（1）負壓試驗：抽真空至4 KPa(a)時（低于系統負壓），波紋管未發生明顯變形、更沒有失穩現象。

（2）正壓試驗：正壓打至0.3 MPa 時，波紋管開始發生變形，0.4 MPa 時變形增大已失穩，卸壓壓力表回零后，波紋管有回彈，但仍失穩狀態。 因此，此完好備件失穩形式與之前已失效的波紋管類似，只是失效波紋管變形更厲害，可以判斷現場失效的波紋管正壓肯定超過0.4 MPa。

（3）爆破試驗：隨著壓力不斷上升觀察膨脹節的外觀變化，壓力升至1.5 MPa 時，波紋管變形嚴重，繼續加壓到2.0 MPa，壓力突然驟降至1.5 MPa，此時繼續補壓，壓力不上升，波紋管只發生形變，“鼓包”嚴重。

通過以上試驗可知， 膨脹節失效非負壓所致，而是正壓過大遠超過了膨脹節設計壓力，導致了膨脹節變形失效，完好備件的爆破試驗壓力值為1.5 MPa，此時之前的失效件外觀一樣。

3.2 分析導致輔助凝結水泵入口膨脹節失效的原因

通過比較1、2 號機組執行輔助凝結水泵定期試驗的數據，可看出1 號機組出口流量在啟泵瞬間達到38kg/s，又突降到0，原因如下：

（1）輔助凝結水泵出口電動閥4321-MV4116 沒有全關或有內漏，使得輔助凝結水泵并不是一個關閥啟泵的狀態，導致啟泵瞬間有一個流量突升；

（2）除 氧 器 輔 助 液位控制器64321-LC4224 的LOOP1 和LOOP2 設定值分別為LOOP1：41.36 kg/s，LOOP2：3380 mm。因為1 號機組除氧器液位始終低于3380 mm， 導致LC4224 長時間積分， 控制器輸出為42%。 所以啟泵瞬間，只要出口閥打開，就會有很大的流量通過，從而有一個流量的突升。

（3）在凝泵出口流量達到41.36 kg/s 后，控制器輸出才開始下降。 流量突降到0，導致系統內發生水錘，產生瞬間的超過設計壓力的高壓力，導致入口膨脹節損壞。

4 輔助凝結水泵入口膨脹節改造詳細方案及定期試驗時的響應

4.1 輔助凝結水泵入口膨脹節改造詳細方案

原膨脹節在0.3 MPa 下就出現變形， 本方案將膨脹節的設計壓力提高至0.5 Mpa， 采用增加壁厚，改變波形參數等方法提高膨脹節的強度和抗壓能力， 可以確保其在0.5 MPa 下能正常使用， 在0.75 MPa 試驗壓力下不會失穩， 理論上其爆破壓力值將大于1.5 MPa。

此設計方案較原膨脹節的承壓能力有很大的提高，但是否適用于現場， 需要長期監測現場壓力波動的數值，明確壓力波動的原因，然后再進行針對性的設計。

4.2 輔助凝結水泵運行響應

輔助凝泵啟動試驗98-91140-OM-760 是強制性試驗，試驗周期31 天。 在試驗時應注意以下幾點：

（1）運行人員通過對泵入口管道進行充水排氣來保證泵入口管線滿水；

（2）在定期試驗開始之前聯系維修人員對泵的出口閥進行手動搖關，保證出口閥關嚴；

（3）啟動輔凝泵前，將64321-LC4224 置于MAN，手動調節輸出到0，再置于AUTO，確認其輸出保持在0。

通過這幾種措施來保證啟泵時不會產生瞬間的高壓力，從而防止入口膨脹節變形失效。 如果在實驗時發現輔助凝結水泵入口膨脹節有明顯變形，應及時停止試驗，并恢復試驗前狀態，發缺陷聯系維修評估入口膨脹節變形情況及是否可以繼續運行。如果入口膨脹節發生破損， 應及時關閉泵入口閥4321-V4688和泵排氣閥4321-V4618，防止凝汽器真空惡化。

根據運行分析，輔助凝結水泵出口管線位置比凝汽器高，因為泵出口閥，出口逆止閥內漏，導致這一段管線內凝結水被排空，泵啟動時產生水錘，造成入口膨脹節損壞。 這是其損壞的其根本。

5 結語

輔助凝結水泵在核電廠正常滿功率運行和事故工況下的作用十分重大。輔助凝結水泵的入口膨脹節在輔助凝結水泵啟停和正常運行時能減少管道振動，吸收系統沖擊，保證系統安全穩定的運行。 輔助凝結水泵入口膨脹節缺陷的處理保證了在各種工況下除氧器的上水，保證了二回路的水裝量。 也保證了一回路的熱量能正常的通過蒸汽發生器導出，保證了核電廠在3C 的原則下安全穩定的運行。 輔助凝結水泵出口管線位置比凝汽器高，因為泵出口閥，出口逆止閥內漏，導致這一段管線內凝結水被排空，泵啟動時產生水錘，造成入口膨脹節損壞。