安注箱安全閥泄漏故障分析

郭鈞霆

摘 要

安注箱安全閥在執(zhí)行安注箱超壓保護功能的前提下必須具備良好的密封性，以保證安注箱在反應(yīng)堆冷卻劑喪失事故工況下把全部含硼水注入一回路使其快速冷卻的安全功能。當前安注箱安全閥在多個核電廠發(fā)生的內(nèi)漏缺陷，導(dǎo)致安注箱氮氣持續(xù)泄漏引起安注箱壓力持續(xù)降低，并造成安全殼壓力緩慢升高，嚴重影響核電機組的核安全。本文以歷次發(fā)生的安注箱安全閥泄漏情況為例，結(jié)合受力分析對其故障機理進行分析，得出造成安注箱安全閥泄漏的故障因素，最后根據(jù)實際處理過程，得出導(dǎo)致安注箱安全閥泄漏的關(guān)鍵因素，并通過改造及調(diào)整預(yù)防性維修優(yōu)化其設(shè)備可靠性。

關(guān)鍵詞

安注箱安全閥;泄漏;影響因素;優(yōu)化

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.036

0 引言

為更深入了解安全閥的特性以及密封性降質(zhì)的分析思路，本文以此進行故障原因分析，通過安全閥泄漏排量影響計算、閥瓣密封結(jié)構(gòu)的研究，同時對其開啟運動特性分析，并結(jié)合現(xiàn)場實際處理過程探討各參數(shù)對閥門密封性能的影響，找到其泄漏的根本原因，并通過設(shè)計和預(yù)防性維修優(yōu)化到達提升安注箱安全閥設(shè)備可靠性的目的。

1 概述

安全閥的功能是通過下列動作過程來實現(xiàn)的：當系統(tǒng)達到最高允許壓力時，安全閥能準確地開啟，迅速達到額定開啟狀態(tài)，并排放額定數(shù)量的工作介質(zhì);在開啟狀態(tài)下安全閥應(yīng)穩(wěn)定地排放;當系統(tǒng)壓力降至正常值時，安全閥應(yīng)及時關(guān)閉，并在關(guān)閉狀態(tài)下，保持必需的密封性。

2 泄漏故障機理分析

以閥門密封面處為對象進行受力分析，向下作用于閥瓣密封面的彈簧預(yù)緊力F彈簧力，一部分用來抵抗介質(zhì)對閥瓣向上的作用力F介質(zhì)，一部分用來克服閥桿、彈簧等部件的自重F重力和閥桿與其配合部件的阻力F阻力，另一部分產(chǎn)生閥門密封件之間的密封壓緊力F密封力。閥門的關(guān)閉狀態(tài)下的受力分析如圖1。

所以根據(jù)牛頓第二定律，

F彈簧力+F重力=F阻力+F介質(zhì)+F密封力

其中，F(xiàn)彈簧力—彈簧預(yù)緊力;F重力—彈簧、彈簧等自重;F阻力—閥桿與其配合部件的阻力;F介質(zhì)—介質(zhì)對閥瓣向上的作用力;F密封力—密封壓緊力。

造成閥門泄漏的因素主要分為兩方面，一個是密封力影響，一個是密封性能影響。

1）密封力影響

推導(dǎo)出影響密封力的公式：F密封力=Ps×S平均-P0×S平均-F其他阻，其中S平均為已知常量;Ps整定壓力為已知常量;F其他阻為未知正數(shù)常量，P0對閥桿施加向上的阻力;為運行期間系統(tǒng)壓力。

2）密封性能影響

密封性能影響因素主要分為：密封面卡有雜質(zhì)、密封面有損傷、密封面材質(zhì)問題。

3 泄漏影響因素處理分析

根據(jù)歷次現(xiàn)場在線處理及離線解體處理進行，對上章的泄漏影響因素進行逐一驗證，最終得出造成中壓安注箱泄漏的主要原因。

3.1 密封力影響處理

根據(jù)上章密封力公式：F密封力=Ps×S平均-P0×S平均-F其他阻，其中造成密封力的非確定量有Ps、P0、F其他阻三個，其中Ps為正相關(guān)，P0和F其他阻為負相關(guān)。

1）Ps影響分析

Ps為整定壓力，根據(jù)法規(guī)規(guī)定起跳壓力的偏差為4.83±3%×4.83Mpa，根據(jù)公式此3%偏差對密封力大小變化影響有限，因此Ps整定壓力不是造成密封力低引起泄漏的主要影響因素。

2）P0影響分析

P0為機組運行期間中壓安注箱的氮氣壓力，根據(jù)M310核電機組運行技術(shù)規(guī)范，RP模式下中壓安注箱壓力要求在4.235-4.37Mpa之間，在整定壓力為標準4.83Mpa下，計算其密封力F密封力：

F密封力=Ps×S平均-P0×S平均-F其他阻=（Ps-P0）×S平均-F其他阻，其中S平均=π/4·Dmp2，計算得F密封力=（54.2～70N）-F其他阻，在不考慮F其他阻的前提下，其密封力均滿足使用要求。因此P0系統(tǒng)壓力在滿足技術(shù)規(guī)范的前提下不是造成密封力低引起泄漏的主要影響因素。

3）F其他阻影響分析

F其他阻為由于裝配不合理等原因引起對閥桿向上的力，根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)分析造成對閥桿向上力的可能原因有：閥桿與其配合部件裝配卡澀和強制起跳裝置設(shè)置不正確。

在安注箱安全閥解體時對以上兩點進行重點檢查。經(jīng)拆卸保護罩檢查其強制起跳機構(gòu)（凸輪及手柄等附件），發(fā)現(xiàn)其與其他普通安全閥存在差異，手柄放至水平位置凸輪收起，緊貼保護罩，手柄豎直時凸輪豎直向上。拆卸手柄后，檢查手柄與轉(zhuǎn)動軸的連接形式，其銷釘凹槽的平面方向會影響手柄垂直時凸輪方向，經(jīng)調(diào)整后手柄與凸輪對應(yīng)方向正常。再次對安全閥打壓對出口泄漏情況進行測量，泄漏現(xiàn)象消失，安全閥密封良好。

若要達到F密封力≥0，根據(jù)上節(jié)計算，僅需凸輪產(chǎn)生對閥桿向上的力F其他阻≥54.2～70N，經(jīng)測量手柄末端和凸輪末端與轉(zhuǎn)軸中心點距離比為16.5：1，根據(jù)力矩比計算，僅需對手柄產(chǎn)生3.2～4.2N的力。在進行回裝閥門手柄設(shè)置時以人的感覺容易忽略此微小的力，造成手柄向下為正常狀態(tài)的錯誤判斷。

因此F其他阻引起對閥桿向上的力是造成密封力低引起泄漏的影響因素，其原因為閥門提升手柄豎直擺放時，凸輪與提升螺母干涉，產(chǎn)生一定向上的力，導(dǎo)致密封力偏低從而產(chǎn)生安注箱安全閥泄漏。

3.2 密封性能影響處理

安注箱安全閥閥座密封面的材質(zhì)為Z2CND1712不銹鋼，閥瓣材質(zhì)為為EPDM橡膠，由EPDM于Z2CND1712不銹鋼在密封力的施加下形成平面密封結(jié)構(gòu)。

在安注箱安全閥解體時重點對軟密封閥瓣、硬密封閥座密封面處進行檢查，未發(fā)現(xiàn)面有雜質(zhì)或損傷情況，但發(fā)現(xiàn)軟密封面出現(xiàn)一定程度老化情況。在更換新閥瓣后密封性試驗合格，但運行一段時間后再次出現(xiàn)泄漏情況。

EPDM（三元乙丙橡膠）和FKM（氟橡膠）這兩類彈性體材料常用于輻照環(huán)境下的密封材料。FKM由于其優(yōu)異的耐熱性和氧化穩(wěn)定性，通常應(yīng)用于高溫環(huán)境中，而EPDM由于其較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）通常應(yīng)用于低溫密封環(huán)境中。根據(jù)同行調(diào)研其變更的FKM閥芯密封性能良好，類似的安全閥未發(fā)生內(nèi)漏的問題。

因此密封性能差是引起泄漏的主要影響因素，其原因為EPDM閥瓣在高壓、輻照、長期運行情況下易出現(xiàn)老化情況，導(dǎo)致密封性能變差造成安注箱安全閥泄漏。

4 結(jié)論

綜述，本文通過對典型的安注箱安全閥泄漏的故障分析，介紹了安注箱安全閥的工作原理，討論了造成安注箱安全閥泄漏的影響因素，并通過實際處理與試驗過程進行了對比分析。最后得出如下結(jié)論：

1）安注箱安全閥其設(shè)計的EPDM材質(zhì)軟密封閥瓣老化是造成安注箱安全閥泄漏的主要因素。建議將閥瓣密封材質(zhì)由EPDM改為FKM，保持原安裝尺寸不變，增強閥瓣密封抗老化性能，提高其密封性。

2）強制起跳裝置設(shè)置不當是造成安注箱安全閥泄漏的次要因素。建議對手柄及凸輪相對位置進行檢查，校正銷釘凹槽的平面方向，使手柄垂直時凸輪水平從而不對提升螺母干涉。

在對造成安注箱安全閥泄漏的影響因素進行解決處理后，通過合理設(shè)置預(yù)防性維修項目到達提升安注箱安全閥設(shè)備可靠性的目的。

1）增加全面解體檢查及更換閥瓣密封件的預(yù)防性維修項目

由于軟密封材料使用壽命的局限性，建議將每個燃料周期執(zhí)行的壓力整定及密封性試驗項目改為全面解體檢查及更換閥瓣密封件的預(yù)防性維修項目，并在解體檢查密封件更換后執(zhí)行壓力整定及密封性試驗。

2）將密封性試驗試驗時間延長

安注箱安全閥密封性試驗保壓試驗較短，不能達到驗證其長燃料周期零泄漏的密封要求，建議將密封性保壓試驗設(shè)置為單次，時間設(shè)置為24h，從而更好地驗證其密封性能。

參考文獻

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