RCW 檢修備用廠房消防水系統(tǒng)超壓故障分析及處理

張 帆，韓 鵬，于群利，曾韻韜，吳 浩

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 項目背景

重水堆核電廠（以下簡稱重水堆）RCW 系統(tǒng)（Recirculating Cooling Water System，再循環(huán)冷卻水系統(tǒng)）是電廠向最終熱阱傳遞熱量的中間輸熱系統(tǒng)。2010 年通過技改增加了RCW 檢修備用系統(tǒng)，其作用是為了使機組在停堆檢修期間能夠部分替代RCW系統(tǒng)，給必須連續(xù)供水的用戶提供足夠的冷卻水，從而將RCW 系統(tǒng)退出運行，實現(xiàn)對RCW 系統(tǒng)設(shè)備的預(yù)防性維護和缺陷處理。

RCW 檢修備用廠房消防系統(tǒng)在設(shè)計時采用了分區(qū)給水，即增設(shè)減壓閥，以滿足國標的規(guī)定。2012 年因RCW 檢修備用廠房供水管的2 臺減壓閥同時失效，廠房區(qū)域的消防管網(wǎng)靜壓力升高至1.2 MPa。根據(jù)GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《消規(guī)》）中要求：消火栓栓口壓力≤0.5 MPa，如果消火栓栓口壓力>0.7 MPa 必須增設(shè)減壓裝置，否則水槍的反作用力將>350 N（約35 kgf），2 名消防員難以掌握進行滅火。故消防管網(wǎng)靜壓力升高至1.2 MPa 將會導(dǎo)致RCW 檢修備用廠房室內(nèi)消防水系統(tǒng)處于不可用狀態(tài)。

2 減壓閥故障分析

RCW 檢修備用廠房使用的減壓閥為6 英寸活塞式減壓閥，該減壓閥是安裝在廠房外閥門井中，一般情況下人員無法接觸到該閥門，而且系統(tǒng)投入運行后至產(chǎn)生該故障期間減壓閥無相關(guān)檢修任務(wù)，故可以排除人員誤碰和維修質(zhì)量不合格的可能。分析導(dǎo)致減壓閥失效的原因和處理措施如下：

（1）閥體異物。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)減壓閥的主/副閥體內(nèi)、主/副閥芯閥座密封面、閥前控制回路管線內(nèi)堆積較多雜質(zhì)，減壓閥內(nèi)雜質(zhì)對減壓閥功能會產(chǎn)生如下影響：①閥芯、閥座密封面堆積雜質(zhì)，閥門無法關(guān)嚴，導(dǎo)致閥門無法實現(xiàn)減壓；②造成閥桿、活塞等部件卡澀使平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致減壓閥失效。

（2）減壓膜片損壞。膜片損壞或彈簧失效均會影響減壓閥的減壓功能。

（3）閥芯、閥座損壞?；钊綔p壓閥靜態(tài)減壓時，減壓閥要求密封良好。在對閥芯、閥座進行檢查時發(fā)現(xiàn)閥芯、閥座密封面除堆積雜質(zhì)外，密封面狀態(tài)良好，故可以排除閥芯、閥座損壞或腐蝕造成閥門內(nèi)漏。

綜合上述檢查情況，確定導(dǎo)致減壓失效的根本原因為系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)較多，堆積在閥體內(nèi)導(dǎo)致減壓閥失效。解體清理只能短期維持減壓閥可用，頻繁解體閥門增大了檢修成本，卻無法從根本上解決閥體異物堆積的情況，故常規(guī)檢修手段無法徹底解決此缺陷。經(jīng)調(diào)研目前市場上也沒有找到能在含有大量泥漿、銹渣的水質(zhì)工況下使用的減壓閥，故無法考慮減壓閥換型。

3 消防水水質(zhì)改善可行性分析

首先分析導(dǎo)致水質(zhì)產(chǎn)生較多雜質(zhì)的原因有以下2 點：①重水堆消防管網(wǎng)的管道使用的是鍍鋅碳鋼管，在系統(tǒng)投運前未對整個消防管網(wǎng)進行有效吹掃或清洗，造成管道內(nèi)殘留有較多安裝、建造時產(chǎn)生的雜質(zhì)。投運后系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)會對鍍鋅層產(chǎn)生影響，一旦鍍鋅層被破壞，水中的氯離子對管內(nèi)壁會造成侵蝕，且腐蝕速度會大大加快，形成大量銹渣；②重水堆消防水池為露天儲水池，消防水池的消防水長期處于靜止狀態(tài)，水質(zhì)較差。

若要從源頭上改善消防水水質(zhì)需要進行以下2 項工作：①對所有消防管道腐蝕情況進行普查，更換所有鍍鋅層脫落或管壁銹蝕的消防管網(wǎng)的管道，安裝后對整個消防管網(wǎng)進行吹掃、清洗；②定期對消防水池放空清洗、消毒，重新補水。

而上述2 種方法實施都無法在電廠消防系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書的要求時間內(nèi)完成，所以對于正在運行的電廠并不可行。

廠房消防管道的設(shè)計承壓能力為1.6 MPa，GB 3445—2018《室內(nèi)消火栓》規(guī)定消火栓的公稱壓力為1.6 MPa，所以減壓閥失效后管網(wǎng)靜壓升高至1.2 MPa 不會對系統(tǒng)管道和設(shè)備造成影響，只是不滿足國標中消火栓口的靜壓不應(yīng)超過1.0 MPa 和消火栓口的動壓不應(yīng)超過0.5 MPa 的要求，即消火栓無法使用。故可以考慮取消減壓閥，使用其他手段使栓口的動壓和靜壓滿足要求。除減壓閥外，在消防系統(tǒng)上常用的減壓方式為減壓孔板和減壓穩(wěn)壓型消火栓。

4 減壓穩(wěn)壓型消火栓可行性分析

室內(nèi)減壓穩(wěn)壓型消火栓采用的是栓前取樣技術(shù)，使其具有自動識別栓前壓力變化的能力，并能快速自動地根據(jù)栓前壓力變化來控制其內(nèi)部減壓穩(wěn)壓裝置工作，從而保持栓后出口壓力的穩(wěn)定。

《消規(guī)》中消火栓栓口壓力要求：消火栓栓口靜壓不應(yīng)大于1.0 MPa，當大于1.0 MPa 時應(yīng)采取分區(qū)給水；消火栓栓口動壓不應(yīng)大于0.5 MPa，當大于0.7 MPa 時應(yīng)采取減壓措施。當進水壓力為0.4～1.2 MPa，適合選擇Ⅱ類減壓穩(wěn)壓型消火栓出口壓力為0.35～0.45 MPa，且減壓穩(wěn)壓型消火栓屬于分區(qū)給水的方式，故使用減壓穩(wěn)壓型消火栓替代廠房內(nèi)的普通消火栓方案可行。

根據(jù)以上分析，使用減壓穩(wěn)壓型消火栓替代原活塞式減壓閥可以滿足國標中的各項規(guī)定，減壓穩(wěn)壓型消火栓也是屬于減壓設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝也并不復(fù)雜，只要選擇的產(chǎn)品能滿足GB 3445—2018《室內(nèi)消火栓》制造和試驗要求即可。但從使用安全的角度考慮，還需考慮減少系統(tǒng)動壓，消除減壓穩(wěn)壓型消栓失效后對操作人員產(chǎn)生的安全隱患。

5 增設(shè)減壓孔板可行性分析

5.1 方案描述

減壓孔板的主要原理是當流動水經(jīng)過減壓孔板時由于局部阻力損失，在減壓孔板處產(chǎn)生水頭壓力降（h 孔板），從而可以降低消火栓的出口壓力及出口流量，適用于對流體動力減壓。減壓孔板是消防水系統(tǒng)中常用的減壓方式，雖然設(shè)計比較繁瑣，但是在動態(tài)減壓效果和維護便利性方面仍具備一定的優(yōu)勢。

5.2 可行性分析

5.2.1 單級單孔減壓孔板設(shè)計

傳統(tǒng)的消防水系統(tǒng)使用的減壓孔板為單級單孔孔板，首先需驗證單級孔板是否可以滿足系統(tǒng)需求，《消規(guī)》10.3.1 中對減壓孔板的規(guī)定如下：①應(yīng)設(shè)在直徑≥50 mm 的水平直管段上，前后管段的長度均不宜小于該管段直徑的5 倍；②孔口直徑不應(yīng)小于設(shè)置管段直徑的30%，且不應(yīng)<20 mm；③應(yīng)采用不銹鋼板材制作。

RCW 檢修備用廠房的室外消防管直徑為DN150，室內(nèi)消火栓用水量為10 L/s。根據(jù)減壓孔板設(shè)計應(yīng)符合孔口直徑不小于設(shè)置管段直徑的30%且≥20 mm，因此當孔口直徑取最小值即45 mm時，通過計算得出單級減壓孔板減壓后的栓口壓力為0.72 MPa，無法滿足GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中消火栓口動壓不宜>0.50 MPa 的要求，故單級減壓孔板設(shè)計不合適。

5.2.2 多級多孔減壓孔板

（1）模型設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)場工況的參數(shù)要求，最終結(jié)合理論計算公式、經(jīng)驗公式，基于仿真計算流體力學(xué)（CFD）軟件對多級孔板進行計算。考慮不同孔徑、兩級間距離等因素對計算壓降的影響，確定消防水系統(tǒng)多級孔板的最終結(jié)構(gòu)為二級六孔。第一級孔等效直徑為47.5 mm，第二級孔等效直徑為54 mm，兩級間距離為300 mm。孔板總長448±2 mm，兩級孔板為同心圓，孔板兩級間距離為300 mm，兩級孔板均倒角45°。

（2）模型驗證。綜合考慮計算規(guī)模與計算精度，當簡化計算模型為60°，網(wǎng)格數(shù)量在200 萬以上時，可確保模擬計算的精度與效率。因此選取孔板1/6 流道為計算區(qū)域，采用計算流體動力學(xué)的集成計算機工程和制造（ICEM）軟件劃分網(wǎng)格，邊界條件設(shè)置為速度入口，壓力出口，湍流模型選擇標準k—ε 模型。

（3）結(jié)果分析。仿真計算流體力學(xué)（CFD）計算的進出口壓力為0.728 MPa，與設(shè)計壓降0.7 MPa 相比略大，偏差為4.0%，計算值滿足設(shè)計要求。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計分析?；谇捌诹鲌鲇嬎愕慕Y(jié)果，確定節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)（圖1）。確保多級孔板能在額定流量下保證壓降，且其結(jié)構(gòu)尺寸與原減壓閥門一致，無需對原系統(tǒng)回路進行大的更改，最大程度減少對系統(tǒng)功能的影響。

圖1 節(jié)流裝置

（5）根據(jù)計算在消防水經(jīng)過多級多孔減壓孔板后，消火栓栓口動壓約為0.47 MPa，可以滿足《消規(guī)》中消火栓栓口動壓要求，但沒有滿足《消規(guī)》中消火栓栓口靜壓要求：消火栓栓口靜壓不應(yīng)大于1.0 MPa，當大于1.0 MPa 時應(yīng)采取分區(qū)給水。故可以評估將減壓穩(wěn)壓型消火栓和多級多孔減壓孔板結(jié)合在一起使用的可行性。

6 減壓穩(wěn)壓型消火栓和減壓孔板結(jié)合可行性分析

（1）栓口靜壓分析?！断?guī)》中消火栓栓口靜壓要求：消火栓栓口靜壓不應(yīng)大于1.0 MPa，當大于1.0 MPa 時應(yīng)采取分區(qū)給水。實際系統(tǒng)中靜壓為1.2 MPa，已超過要求值，但由于安裝了減壓穩(wěn)壓型消火栓，實現(xiàn)了給水分區(qū)，故栓口靜壓滿足要求。

（2）栓口動壓分析。在安裝多級、多孔減壓孔板后，消火栓栓口動壓約為0.47 MPa，實際已滿足《消規(guī)》中栓口動壓低于0.5 MPa的要求，也滿足減壓穩(wěn)壓型消火栓的使用要求。再經(jīng)減壓穩(wěn)壓型消火栓減壓后出口壓力>0.35 MPa，滿足《消規(guī)》中8 m 以上廠房室內(nèi)消火栓栓口不能低于0.35MPa 要求，故栓口動壓滿足要求。

（3）減壓穩(wěn)壓型消火栓和減壓孔板結(jié)合使用，通過減壓穩(wěn)壓型消火滿足了栓口靜壓要求，又通過多級多孔減壓孔板保證了栓口動壓要求，即使減壓穩(wěn)壓型消火栓失效，其栓口動壓產(chǎn)生的后坐力也低于220 N，在一名消防員的掌控范圍內(nèi)，消除了人員受傷的安全隱患。

7 結(jié)束語

針對RCW 檢修備用廠房消防水系統(tǒng)頻繁超壓問題，通過對減壓閥失效原因進行分析，明確了水中雜質(zhì)較多導(dǎo)致減壓閥減壓性能無法維持。通過對減壓穩(wěn)壓型消火栓、減壓孔板性能進行分析，最終選取取消減壓閥，將減壓穩(wěn)壓型消火栓、減壓孔板相結(jié)合使用的方案。改造方案可以保證廠房消防水系統(tǒng)滿足設(shè)計規(guī)范的要求，并徹底解決了美標和國標的銜接問題，經(jīng)上海核工程研究院評估具有可行性，并通過了生產(chǎn)技術(shù)委員會和變更小組的審查。在依照此方案完成技改后，截至目前已投入使用3個月廠房消防水系統(tǒng)工作正常，從而證明將減壓穩(wěn)壓型消火栓、減壓孔板相結(jié)合使用方案可靠。且減壓穩(wěn)壓型消火栓、減壓孔板因結(jié)構(gòu)簡單，耐用性強，對水質(zhì)的要求遠低于減壓閥，預(yù)維只需簡單清理即可，減輕維修人員的工作量，增強設(shè)備的可靠性。