核電廠給水流量調(diào)節(jié)閥開度增大的原因分析與處理

王安寧，林 昕，張銘刻

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

在核電廠和常規(guī)電廠中，調(diào)節(jié)閥被廣泛運(yùn)用于機(jī)組的各個(gè)系統(tǒng)回路，它是過程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變液體流量的裝置，以調(diào)節(jié)流體的壓力、溫度、流量、液位等工藝參數(shù)以滿足生產(chǎn)工藝需要，是核電廠保障機(jī)組穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要組成部分。

1 研究背景

方家山機(jī)組主給水流量控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ARE)是核電機(jī)組二回路的重要系統(tǒng)，其主要功能是向蒸汽發(fā)生器供應(yīng)給水并且調(diào)節(jié)給水流量以將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位維持在一個(gè)隨汽輪機(jī)負(fù)荷變化所預(yù)定的基準(zhǔn)值上。

三臺(tái)蒸汽發(fā)生器的每條給水管線上設(shè)有一個(gè)給水調(diào)節(jié)站，每個(gè)給水調(diào)節(jié)站由一個(gè)承擔(dān)95%容量的紿水主調(diào)節(jié)閥和一個(gè)承擔(dān)15%容量的旁路調(diào)節(jié)閥組成。當(dāng)蒸發(fā)器水位發(fā)生變化時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥(主調(diào)節(jié)閥和旁路調(diào)節(jié)閥)在收到調(diào)節(jié)信號(hào)后能在20 s內(nèi)完成調(diào)節(jié)功能。

方家山2號(hào)機(jī)組第3燃料循環(huán)運(yùn)行以來，發(fā)現(xiàn)主給水ARE(主給水流量控制系統(tǒng))三臺(tái)主給水調(diào)節(jié)閥(2ARE031VL/032VL/033VL)閥門開度存在異常變大趨勢(shì)，從52%緩慢上漲至接近70%，并且在2017年8月14日進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，一臺(tái)主給水調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到94.6%觸發(fā)全開信號(hào)，試驗(yàn)被迫終止。此缺陷“方家山2號(hào)機(jī)組三臺(tái)主給水調(diào)節(jié)閥(ARE)開度增大”也被定為公司級(jí)十大缺陷項(xiàng)目，當(dāng)開度持續(xù)增大至無法滿足調(diào)節(jié)蒸發(fā)器水位的時(shí)候，機(jī)組會(huì)有停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，需要盡快找到缺陷原因并盡快處理。

2 原因分析

2.1 初步原因分析

2.1.1 初步檢查及措施

在出現(xiàn)了開度增大的缺陷后，維修人員進(jìn)行了初步的檢查，確認(rèn)了現(xiàn)場(chǎng)閥門和系統(tǒng)的狀態(tài)，主要有以下方面：

1)發(fā)現(xiàn)給水流量調(diào)節(jié)閥閥門開度增大的缺陷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢查閥門的指示，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)與主控室開度指示保持一致，說明現(xiàn)場(chǎng)閥門開度顯示正常；維修人員對(duì)閥門機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，由于三個(gè)環(huán)路均出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度增大問題，得出該缺陷為共性問題，初步排除閥門指示和結(jié)構(gòu)異常的問題。

2)對(duì)主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，主給水泵運(yùn)行正常，汽水壓差正常，二回路給水/蒸汽流量、主給水泵轉(zhuǎn)速、蒸汽母管壓力均正常。

3)對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行跟蹤分析， 2017年8月14日?qǐng)?zhí)行試驗(yàn)，因2ARE243VL關(guān)至20%時(shí)，主閥2ARE032VL開至94.6%，終止試驗(yàn)。2017年8月16日提高汽水壓差后，補(bǔ)做試驗(yàn)，汽水壓差由0.88 MPa提升到0.92 MPa，2ARE032VL開度由70%降低到65%，試驗(yàn)中032VL最大開度79%，試驗(yàn)順利完成。在此期間對(duì)閥門前后壓差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

2.1.2 調(diào)閥特性檢查分析

根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量特性可知，流量會(huì)隨著開度的增大而增大，會(huì)隨著壓差的增大而增大，目前調(diào)節(jié)閥流量未發(fā)生變化，需要監(jiān)測(cè)閥門前后壓差來進(jìn)行分析。

調(diào)試期間通過不同功率平臺(tái)下整定汽水差壓設(shè)定值曲線，將主給水調(diào)節(jié)閥兩端的壓差控制在3 bar±0.3 bar。100%功率平臺(tái)下的差壓曲線見圖1，其調(diào)節(jié)閥差壓控制均值約為3.2 bar。

圖1 100%功率平臺(tái)下的差壓曲線

如果主給水調(diào)節(jié)閥兩端壓差維持在設(shè)計(jì)值(2.7～3.3 bar)附近，壓差保持不變，說明調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流通面積未發(fā)生改變，但在調(diào)節(jié)閥開度變大的情況下，說明在閥門處流通能力不足。如果壓差變小，說明產(chǎn)生壓損的地方不在閥門處，需檢查其他設(shè)備。

2017年7月20日?qǐng)?zhí)行試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前在主給水調(diào)節(jié)閥前后加裝了就地壓力表，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)比調(diào)試期間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：1、2環(huán)路壓差降低了約0.4 bar，3環(huán)未變化。調(diào)節(jié)閥的壓差在正常范圍內(nèi)，未發(fā)生明顯變化，閥后壓力正常。試驗(yàn)過程中主給水調(diào)節(jié)閥開度變化分別為13%、16%、14%。

表1 試驗(yàn)期間開度和壓差數(shù)據(jù)

由表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，調(diào)節(jié)閥的壓差在正常范圍，閥后壓力正常，壓差不變流量不變說明調(diào)節(jié)閥的流通面積未發(fā)生變化，所以造成給水調(diào)節(jié)閥開度增大的位置為閥門，排除了其他系統(tǒng)及管道存在壓降的可能，需要對(duì)可能的原因要素進(jìn)行全面分析。

2.1.3 原因要素分析

通過上述分析，調(diào)節(jié)閥開度增大但流通面積未發(fā)生變化，并且可以鎖定出現(xiàn)問題的設(shè)備是閥門本身，分析主給水調(diào)節(jié)閥開度增大的原因要素主要有四種：流量實(shí)際需求變大、閥位指示變大、主給水供給能力下降、給水供給阻力增加。下面對(duì)各個(gè)原因要素逐一分析：

(1)流量實(shí)際需求變大

經(jīng)檢查，給水流量、蒸汽流量和蒸發(fā)器水位指示均正常，未發(fā)現(xiàn)流量實(shí)際需求增大的現(xiàn)象。該原因排除。

(2)閥位指示變大

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，閥桿閥位指示與主控一致，現(xiàn)場(chǎng)閥門指示正常。該原因排除。

(3)主給水供給能力下降

經(jīng)檢查，給水母管壓力沒有下降，主給水泵轉(zhuǎn)速正常，主給水供給能力未下降。該原因排除。

(4)給水供給阻力增加

1)閥前壓力正常；

2)閥后壓力正常；

3)閥門壓差正常，但是開度增加。

綜合分析得出，給水供給阻力增加是調(diào)節(jié)閥開度增大的主要原因，并且可以初步分析為調(diào)節(jié)閥流通能力減小。

2.1.4 初步分析小結(jié)

綜上分析，通過對(duì)ARE主給水調(diào)節(jié)閥開大的原因要素分析，排出了其他原因后，初步判斷為在閥門閥籠處流通能力減小的可能性最大，因此制定故障驗(yàn)證的計(jì)劃，在大小修期間對(duì)閥門進(jìn)行解體檢查。

2.2 故障驗(yàn)證

更換閥籠新備件后，2ARE032VL開度降低了7%，可以得出閥籠是調(diào)節(jié)閥開度增大的關(guān)鍵部件，維修人員對(duì)解體更換下來的舊閥籠進(jìn)行仔細(xì)檢查和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)閥籠小孔直徑明顯變小，并在小孔內(nèi)壁上發(fā)現(xiàn)有大量的結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢致密、堅(jiān)實(shí)、難以清理，經(jīng)化驗(yàn)結(jié)垢的主要成分為四氧化三鐵，具有一定的磁性。根據(jù)以上現(xiàn)象，可以初步得出閥籠結(jié)垢是調(diào)節(jié)閥開度增大的根本原因，還需要進(jìn)一步計(jì)算分析進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 計(jì)算分析驗(yàn)證

經(jīng)過閥籠的流量全部要經(jīng)過閥籠的小孔，閥籠小孔有1104個(gè)，通過計(jì)算每個(gè)小孔平均的流通面積減少量就可以估算出閥門的開度損失，從而驗(yàn)證閥籠結(jié)垢引起的小孔流通面積減少是否是影響閥門開度增大的主要原因。

首先我們需要建立等式的關(guān)系：結(jié)垢的體積可以通過結(jié)垢的質(zhì)量得出，也可以通過結(jié)垢平均厚度差得到，從而得出結(jié)構(gòu)體積相等的公式：

M/ρ×1000=N×Lπ(R×R-r×r)

式中：M——結(jié)垢的四氧化三鐵的質(zhì)量，取樣重量為50.53 g，占總量的1/3；

ρ——四氧化三鐵的密度5.18 g/cm3；

N——閥籠孔的數(shù)量1104個(gè)；

L——閥籠孔的深度24 mm；

R——閥籠孔半徑3 mm；

r——結(jié)垢后的閥籠孔半徑。

考慮取樣占總量的1/3結(jié)垢的分布，綜合后的計(jì)算如下：結(jié)垢的平均厚度d=0.116 mm。

表面均勻結(jié)垢0.116 mm，計(jì)算損失平均面積比：1-r×r/R×R=7.6%。

表面均勻結(jié)垢0.116 mm，將引起流量下降7.6%(流量的變化與壓差有關(guān)系，由儀控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出壓差沒有明顯變化，忽略壓差對(duì)流量的影響)。

理論計(jì)算和實(shí)際閥門開度的變化趨勢(shì)一致，由此可以得出結(jié)論，ARE調(diào)節(jié)閥開度增大的根本原因?yàn)殚y籠小孔結(jié)垢。

2.4 結(jié)論

針對(duì)方家山2號(hào)機(jī)組給水流量調(diào)節(jié)閥開度增大的原因，首先從系統(tǒng)上分析得出初步結(jié)論是閥門處存在流通能力減小是閥門開度增大的原因，再通過解體更換閥籠后發(fā)現(xiàn)開度明顯減小而驗(yàn)證是在閥籠處，最后通過對(duì)小孔結(jié)垢進(jìn)行化學(xué)分析和計(jì)算分析得到最終結(jié)論為：ARE調(diào)節(jié)閥開度增大的根本原因?yàn)殚y籠小孔結(jié)垢。

3 制定對(duì)策

3.1 初步緩解對(duì)策

由于方家山機(jī)組“ARE給水流量調(diào)節(jié)閥的開度增大”的問題已對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了較大危害，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此為避免閥門開度過大引起機(jī)組停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，電廠從機(jī)械、運(yùn)行等各方面對(duì)ARE給水流量調(diào)節(jié)閥采取了一系列的保護(hù)措施和緩解措施，確保系統(tǒng)運(yùn)行功能，主要包括以下幾方面：

(1)調(diào)整汽水壓差

2017年8月16日提高汽水壓差后，補(bǔ)做試驗(yàn)，順利完成。汽水壓差由0.88 MPa提升到0.92 MPa，ARE032VL開度由70%降低到65%，試驗(yàn)中032VL最大開度79%。在提高汽水壓差后，ARE調(diào)節(jié)閥開度余量能夠滿足試驗(yàn)要求，后續(xù)繼續(xù)保持此汽水壓差運(yùn)行。

(2)制定解體并清洗閥籠的計(jì)劃

在確定了ARE調(diào)節(jié)閥閥籠小孔結(jié)垢的根本原因后，制定了檢修方案并調(diào)整了預(yù)維項(xiàng)目，在方家山104、204大修期間對(duì)ARE調(diào)節(jié)閥進(jìn)行解體并進(jìn)行閥籠的清洗工作。

3.2 閥籠清洗方案

在確定ARE調(diào)節(jié)閥開度增大的根本原因?yàn)殚y籠小孔結(jié)垢后，需要對(duì)閥籠小孔上的結(jié)垢進(jìn)行清理，經(jīng)化學(xué)分析結(jié)垢的主要成分為四氧化三鐵，且結(jié)垢致密、堅(jiān)實(shí)。因公司內(nèi)現(xiàn)有的清洗方法無法清除舊主給水調(diào)節(jié)閥閥籠流通小孔內(nèi)壁附著的沉積物或積垢，所以需采用化學(xué)清洗方式，化學(xué)部門委托進(jìn)行了結(jié)垢式樣和閥籠材質(zhì)式樣的檢測(cè)分析，通過挑選合適的清洗液，既能保證清洗的效率，又能不破壞設(shè)備本體。經(jīng)過化學(xué)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，化學(xué)清洗滿足技術(shù)要求，能夠保證清洗的質(zhì)量和效率。

化學(xué)清洗裝置研發(fā)：根據(jù)此工藝流程，維修人員設(shè)計(jì)研發(fā)了一套清洗裝置，使用該裝置能夠提高化學(xué)清洗的效率并且減少對(duì)金屬部件的潛在傷害，如圖2所示。該裝置具有以下功能: 有機(jī)酸清洗液閉合循環(huán)回路、高壓水噴閉合循環(huán)回路、化學(xué)監(jiān)控、腐蝕檢測(cè)、高壓機(jī)械清洗控制檢測(cè)、清洗液加熱、閥籠與清洗液相對(duì)運(yùn)動(dòng)設(shè)置、閥籠取出或放入清洗箱的設(shè)置、渾濁清洗液回收處理。

圖2 化學(xué)清洗裝置

3.3 應(yīng)用效果

在大修期間，進(jìn)行了ARE主給水調(diào)節(jié)閥閥籠化學(xué)清洗項(xiàng)目，清洗效果良好?；瘜W(xué)清洗后ARE閥籠各表面光潔，無腐蝕殘留物，無二次腐蝕，并且形成完整致密鈍化膜，洗凈率達(dá)到100%，滿足方家山機(jī)組主給水調(diào)節(jié)閥閥籠化學(xué)清洗技術(shù)要求。

在大修期間，化學(xué)清洗裝置應(yīng)用良好，清洗工藝也進(jìn)一步得到優(yōu)化，耗時(shí)較短，大大減輕了現(xiàn)場(chǎng)的檢修工作，為大修的順利完成保駕護(hù)航。大修結(jié)束后，方家山ARE調(diào)節(jié)閥的開度均處于合格范圍內(nèi)且運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行過程中的缺陷模式非常復(fù)雜，如何根據(jù)缺陷的表現(xiàn)形式，結(jié)合管閥內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)原理以及系統(tǒng)的分析找出缺陷的根本原因是解決問題的前提和關(guān)鍵。

本文針對(duì)方家山ARE給水流量調(diào)節(jié)閥開度增大的問題，通過運(yùn)用系統(tǒng)分析和對(duì)閥籠結(jié)垢的分析計(jì)算，查找出了閥籠小孔結(jié)垢是引起該閥開度增大的根本原因，同時(shí)并針對(duì)性地提出了后續(xù)的處理方案，解決了此項(xiàng)技術(shù)難題，并在行業(yè)內(nèi)普遍推廣。由此可見，可靠的原因分析是解決問題的前提，有了充分可靠的原因分析，就可以有的放矢，針對(duì)性地制定出合理、高效的解決方案。

本文對(duì)ARE調(diào)節(jié)閥開度增大的原因分析和處理策略的提出，展示了此類調(diào)節(jié)閥缺陷及系統(tǒng)分析的全過程，以及后續(xù)化學(xué)清洗方案的確定，可以為此類問題的分析和決策提供一個(gè)典型的案例，具有很好的借鑒意義，也解決了同行業(yè)長(zhǎng)期存在的。

目前，采用閥籠化學(xué)清洗的方案已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行的需要，但是，針對(duì)閥籠小孔結(jié)垢的原理還在進(jìn)一步研究當(dāng)中，后續(xù)還要深入分析和不斷試驗(yàn)，從根本上解決此項(xiàng)技術(shù)難題。