穩(wěn)壓器噴淋閥盤根引漏管泄漏問題原因分析及改進(jìn)

謝男泉 楊軍

摘 要：國(guó)內(nèi)某核電廠大修發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器噴淋閥盤根引漏管存在硼結(jié)晶，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)引漏管裂紋故障。文章針對(duì)這一故障，從盤根泄漏原因、引漏管裂紋分析兩個(gè)方面進(jìn)行故障原因查找，提出相應(yīng)改進(jìn)方案，并推廣至群廠反饋處理，成功解決了此類共性問題。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器噴淋閥;引漏管裂紋;盤根泄漏;原因分析;改進(jìn)方案

引言

壓水堆核電機(jī)組的穩(wěn)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(yīng)堆在正常功率變化及中、小事故工況下反應(yīng)堆安全穩(wěn)定。每臺(tái)機(jī)組有兩個(gè)噴淋閥，噴淋閥正常運(yùn)行時(shí)保持連續(xù)的噴霧流量從而減少噴霧管和波動(dòng)管的熱應(yīng)力，并有助于在穩(wěn)壓器中維持均勻的水化學(xué)和溫度（極化運(yùn)行）。穩(wěn)壓器噴淋閥盤根出現(xiàn)泄漏，將會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器卸壓箱水位持續(xù)上漲，一回路泄漏率出現(xiàn)高報(bào)警，泄漏率最高達(dá)到210L/h時(shí)，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組存在潛在停機(jī)停堆風(fēng)險(xiǎn)。

1.故障背景

2018-2019年，國(guó)內(nèi)某核電站多機(jī)組大修時(shí)均發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器噴淋閥盤根引漏管有硼結(jié)晶（如圖1），進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)引漏管存在裂紋（如圖2）。

穩(wěn)壓器噴淋閥為法國(guó)EMERSON（FISHER）廠家生產(chǎn)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為隔膜正作用式，閥體密封結(jié)構(gòu)為半球型結(jié)構(gòu)。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?jī)山M盤根，前部盤根作用是將閥體內(nèi)的介質(zhì)密封在閥腔內(nèi)，后部盤根作用是阻擋由前部盤根滲漏出來的介質(zhì)繼續(xù)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(zhì)引流至RCP002BA，最終將泄漏的介質(zhì)收集至廢液處理系統(tǒng)（如圖3）。

盤根引漏管由閥門廠家生產(chǎn)并隨閥體一起供貨的，尺寸為1/2”， SCH40 304L不銹鋼管道 ，長(zhǎng)約150mm，RCCM等級(jí)為NC級(jí)。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(xiàn)場(chǎng)勘察及對(duì)系統(tǒng)管線布置進(jìn)行分析，日常運(yùn)行期間，噴淋閥處于最小流量開度，閥腔內(nèi)為高溫高壓水（285℃，155bar），正常情況下盤根引漏管內(nèi)無介質(zhì)，常溫常壓。但當(dāng)盤根出現(xiàn)輕微滲漏時(shí)，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(zhì)產(chǎn)生外漏形成硼結(jié)晶。

2.1 盤根泄漏的原因

在調(diào)節(jié)閥的維修活動(dòng)中，因盤根引起的故障比較常見，調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中隨時(shí)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，故調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁，對(duì)盤根的各項(xiàng)性能有很高的要求。盤根的密封原理主要在于軸承效應(yīng)和迷宮效應(yīng)。根據(jù)盤根相關(guān)設(shè)計(jì)資料以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jù)填料函設(shè)計(jì)相關(guān)資料和手冊(cè)[1]，得出填料的主密封壓力計(jì)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(yīng)力比值（應(yīng)力系數(shù)）; ?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(dòng)摩擦系數(shù); ?u2 —填料與填料函的靜摩擦系數(shù)。

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(shù)規(guī)律降低，同時(shí)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(wěn)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(huán)組成，為雙層隔離式填料結(jié)構(gòu)。其中前部盤根共7道（2個(gè)編織盤根+5個(gè)石墨環(huán)），起主要密封作用;后部盤根共4道（2編織盤根+2石墨環(huán)），起輔助密封作用;前后兩組盤根中間由一個(gè)帶孔燈籠環(huán)分隔，起引流前部盤根泄漏的介質(zhì)（如圖6）。此種設(shè)計(jì)方案允許盤根有一定的泄漏量。根據(jù)電站運(yùn)行規(guī)范對(duì)于RCP002BA液位上漲速率標(biāo)準(zhǔn)討論給出的RCP002BA液位上漲速率控制標(biāo)準(zhǔn)為<10mm/d（對(duì)應(yīng)一回路泄漏率<6.25L/h）。

在盤根數(shù)量較多（11道盤根）時(shí)，較大的靜摩擦力使得盤根緊固力矩?zé)o法有效傳遞到里側(cè)第一層7道盤根。當(dāng)總的盤根摩擦力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，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(yùn)行一段時(shí)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(chǎn)生輕微泄漏。目前核級(jí)閥門盤根[2]常用編織盤根按性能由一般到優(yōu)秀有碳纖維編織盤根、增強(qiáng)石墨編織盤根、金屬絲增強(qiáng)柔性石墨編織盤根，常用的純石墨環(huán)形式按性能由一般到優(yōu)秀有平口環(huán)、錐形環(huán)、V形環(huán)。目前核電機(jī)組重要調(diào)節(jié)閥多已經(jīng)完成閥門盤根國(guó)產(chǎn)換型V型盤根替代，替代后盤根硼結(jié)晶出現(xiàn)頻次明顯降低。

2）盤根配合組件缺陷分析

由盤根安裝結(jié)構(gòu)可知，盤根發(fā)生泄漏主要通過盤根與閥桿或者填料函的接觸面產(chǎn)生泄漏，當(dāng)閥桿或者填料函的密封面出現(xiàn)貫穿性缺陷時(shí)，盤根更容易發(fā)生泄漏。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)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(guān)時(shí)閥桿不對(duì)中可能會(huì)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(nèi)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(nèi)壁光潔度很好，所以可以排除因?yàn)楸P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(diào)節(jié)閥盤根安裝要求是比較高的，盤根安裝不規(guī)范容易導(dǎo)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(huì)造成調(diào)節(jié)閥盤根滲漏。穩(wěn)壓器噴淋閥盤根緊固力矩是根據(jù)FLOWSCANNER試驗(yàn)測(cè)量出的盤根摩擦力來進(jìn)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(shí)噴淋閥拆前校驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)參數(shù)均合格，盤根摩擦力140daN，核對(duì)前一輪大修盤根安裝過程，沒有操作方式和安裝標(biāo)準(zhǔn)的變化。盤根的安裝方式進(jìn)行了細(xì)化，均為逐道安裝，確保下部的盤根能夠獲得一定的預(yù)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(yùn)行一段時(shí)間后，盤根都會(huì)表現(xiàn)出一定的應(yīng)力松弛，直接表現(xiàn)為盤根力矩不同程度變小。究其原因，主要有：

一、盤根緊固時(shí)，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(shí)被壓縮的盤根向外膨脹擠壓閥桿和盤根腔室，產(chǎn)生了一個(gè)阻礙盤根向下運(yùn)動(dòng)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(dòng)作一段時(shí)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(yàn)盤根時(shí)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(jìn)行緊固過程中，相鄰兩盤根環(huán)之間的氣體被擠壓滲入盤根組織內(nèi)部，閥門動(dòng)作一段時(shí)間后，滲入盤根內(nèi)部的氣體被閥桿帶出，從而致盤根發(fā)生應(yīng)力松弛，這時(shí)盤根力矩也會(huì)變小。

噴淋閥在設(shè)計(jì)上已經(jīng)加裝載荷補(bǔ)償?shù)?，可以彌補(bǔ)盤根的應(yīng)力松弛，同時(shí)噴淋閥目前的預(yù)防性解體更換盤根的大綱周期為3C，周期較短，進(jìn)一步防止盤根的應(yīng)力松弛。因此，盤根老化松弛對(duì)于泄漏影響不大。

小結(jié)

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(shí)盤根安裝不規(guī)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(shè)計(jì)專用工具安裝等方式改進(jìn)，減少盤根安裝問題的產(chǎn)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，分析過程對(duì)如下可能原因進(jìn)行逐一排查。

1）管線振動(dòng)分析

通過上行噴淋試驗(yàn)窗口，對(duì)閥門及管道進(jìn)行測(cè)振，檢查同類閥門及管道振動(dòng)情況，結(jié)果如表1所示：

從上述測(cè)振結(jié)果來看，管線振動(dòng)情況優(yōu)秀，故排除振動(dòng)原因。

2）管道材質(zhì)分析

對(duì)斷裂的噴淋閥引漏管進(jìn)行光譜分析，結(jié)果與設(shè)計(jì)材質(zhì)相符（如圖7），未見異常。

3）介質(zhì)沖刷分析

通過反光鏡對(duì)兩臺(tái)機(jī)組的4根盤根引漏管目視檢查，發(fā)現(xiàn)有一根管道內(nèi)壁有輕微隆起現(xiàn)象（如圖8），且隆起部位目視存在可見裂紋，現(xiàn)場(chǎng)判定未見沖蝕痕跡，懷疑為制造缺陷。其余三根管道內(nèi)壁均未見沖刷痕跡，測(cè)量管道壁厚（如圖9），未見明顯管道壁厚異常。因此介質(zhì)沖刷導(dǎo)致管道斷裂的可能性基本排除。

4）管線承壓分析

穩(wěn)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(zhì)會(huì)造成管線超壓，導(dǎo)致管道產(chǎn)生裂紋。但是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，未發(fā)現(xiàn)堵塞情況。因此管道超壓導(dǎo)致管道斷裂的可能性可以排除。

5）管道微觀分析

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

分析結(jié)果：1號(hào)管金相組織觀察及掃描電鏡觀察未發(fā)現(xiàn)異常問題。2號(hào)管金相組織觀察發(fā)現(xiàn)開裂部位的樣品存在多條裂紋，由內(nèi)壁向外壁穿晶開裂，呈樹枝狀分叉;掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)裂紋面由內(nèi)壁向外壁穿晶開裂，無疲勞斷裂特征，存在腐蝕性元素氯。

對(duì)于發(fā)現(xiàn)的腐蝕性元素氯來源分析：噴淋閥的介質(zhì)為嚴(yán)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(jí)盤根也是嚴(yán)格控制氯含量，因此，由介質(zhì)或者盤根導(dǎo)致引漏管內(nèi)存在氯元素的可能性較低。根據(jù)閥門檢修工作組反饋，在解體后使用自來水對(duì)外送分析的兩根引漏管進(jìn)行去污和水壓試驗(yàn)。因此，外送檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的氯元素的來源為自來水引入的可能性較大，而造成應(yīng)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(yàn)

針對(duì)上述1、2號(hào)樣管

進(jìn)行硬度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)見下圖11所示：

分析結(jié)果：1號(hào)樣管硬度滿足材料標(biāo)注要求，2號(hào)樣管硬度值略高于GB/T14975的要求，且明顯高于1號(hào)管。

小結(jié)

通過上述的分析，斷裂的引漏管硬度異常超標(biāo)，殘留較高的制造殘余應(yīng)力，不排除在廠家制造殘留或者后續(xù)安裝運(yùn)營(yíng)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(shí)自帶，與設(shè)備為同一廠家提供。綜上所述，穩(wěn)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(jìn)措施

綜合上述分析，針對(duì)穩(wěn)壓器噴淋閥盤根引漏管硼結(jié)晶問題，最佳處理方案為直接更換噴淋閥盤根引漏管，同時(shí)檢查引漏管內(nèi)部狀況，若有較多硼結(jié)晶泄漏時(shí)可更換閥門盤根。盤根安裝時(shí)適當(dāng)改進(jìn)安裝方法，增加驗(yàn)收環(huán)節(jié)，確保盤根安裝質(zhì)量可靠。推進(jìn)噴淋閥盤根的替代，改進(jìn)盤根的密封性能，減少盤根泄漏情況發(fā)生。

4 結(jié)論及建議

穩(wěn)壓器噴淋閥是壓水堆核電機(jī)組一回路壓力控制的重要調(diào)節(jié)閥閥門，首次出現(xiàn)閥門盤根引漏管斷裂缺陷，本文對(duì)于此缺陷進(jìn)行深入原因分析和論證，得出了如下結(jié)論：

4.1明確了引漏管硼結(jié)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(jìn)空間，并提出了改進(jìn)措施;

4.3分析引漏管斷裂的根本原因在于廠家制造缺陷;

建議與展望：隨著密封技術(shù)的發(fā)展，盤根密封結(jié)構(gòu)形式存在一定的改進(jìn)空間，隨著工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展，國(guó)產(chǎn)化高等級(jí)密封的盤根在成本上具有一定優(yōu)勢(shì)。針對(duì)常出現(xiàn)泄漏的閥門盤根，可通過替代升級(jí)或者密封機(jī)構(gòu)改造等方式提升其密封等級(jí)，改善設(shè)備的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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