重水堆應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)干燥器頻繁失效分析及改進(jìn)

陶伯霖，王 猛，劉 錚，林 熙，祁陸凱

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山三期（重水堆）核電站工程是國(guó)家“九五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是中國(guó)首座商用重水堆核電站，是中國(guó)和加拿大兩國(guó)政府間迄今最大的貿(mào)易項(xiàng)目工程。重水堆是以重水做慢化劑的反應(yīng)堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料，采用不停堆更換燃料的技術(shù)運(yùn)行。

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（EMERGENCY COOLING CORE）簡(jiǎn)稱ECC系統(tǒng)，是重水堆核電站的一個(gè)專設(shè)安全系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)LOCA事件（堆芯冷卻劑大量喪失）時(shí)，及時(shí)并連續(xù)地向主系統(tǒng)中注入大量的常溫輕水，使反應(yīng)堆快速降溫冷卻，避免事態(tài)擴(kuò)大導(dǎo)致核電廠四道安全屏障完全喪失[1]。

干燥器是一種利用熱能降低物料水分的機(jī)械設(shè)備，用于對(duì)物體進(jìn)行干燥操作，主要是用來(lái)收集、去除系統(tǒng)管路中的水分，同時(shí)過(guò)濾管道中的雜質(zhì)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況中，干燥器時(shí)常會(huì)出現(xiàn)切換缺陷，會(huì)造成進(jìn)入高壓氣箱的壓縮空氣品質(zhì)下降，從而減少高壓氣箱的壽命，進(jìn)而影響ECC系統(tǒng)高壓注射邏輯，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。

本文以該缺陷為例，從多角度進(jìn)行原因分析并加以論證，通過(guò)糾正措施提高設(shè)備可靠性，以此拓寬今后類似缺陷的檢修思路。

1 故障現(xiàn)象

1.1 ECC系統(tǒng)功能介紹

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的功能是確保在事故工況下，提供足夠可靠的堆芯冷卻。即在事故工況下，當(dāng)發(fā)生喪失熱阱事件時(shí)，由冷卻劑出口溫度過(guò)高信號(hào)觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆。

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)下列方式保證堆芯內(nèi)熱量的有效導(dǎo)出，以防止堆芯及主系統(tǒng)管道的損壞：

1）及時(shí)并持續(xù)地向主系統(tǒng)中注入大量的常溫輕水，帶走堆芯的熱量。

2）關(guān)閉環(huán)路隔離閥、主熱傳輸系統(tǒng)充水閥、穩(wěn)壓器隔離閥，以防止完整環(huán)路的水通過(guò)存在破口的環(huán)路流失。

3）打開(kāi)主蒸汽安全閥卸壓以便促使PHTS（主熱傳輸系統(tǒng)）降壓，縮短ECCS高壓安注的投入時(shí)間。

4）作為一個(gè)長(zhǎng)期熱阱，將積聚在反應(yīng)堆廠房底部的水通過(guò)應(yīng)急堆芯冷卻泵循環(huán)送回堆芯，帶走剩余熱量。

1.2 干燥器回路原理

干燥器是在壓縮機(jī)的出口，用于將打入高壓氣箱的空氣除濕、除油并濾除雜質(zhì)。該設(shè)備由PLC控制：壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，干燥器也一直在運(yùn)行，兩個(gè)干燥塔相互切換，壓縮機(jī)停運(yùn)時(shí)，干燥器轉(zhuǎn)入備用方式。

在秦山三期重水堆ECC中，ECC干燥器3432-DR1負(fù)責(zé)將來(lái)自ECC壓縮機(jī)3432-CP1的壓縮空氣進(jìn)行干燥和過(guò)濾，再進(jìn)入ECC高壓儲(chǔ)氣罐3432-TK2。

高壓氣箱的空氣供給由空氣壓縮機(jī)提供，當(dāng)主控盤(pán)臺(tái)手動(dòng)開(kāi)關(guān)在“ON”位置或當(dāng)高壓氣箱中壓力低于4.14MPa時(shí)，手動(dòng)開(kāi)關(guān)在“AUTO”位置使壓縮機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)送出信號(hào)給干燥器，干燥器啟動(dòng)。壓縮機(jī)高壓氣體通過(guò)管道進(jìn)入干燥器系統(tǒng)中，先通過(guò)一個(gè)預(yù)過(guò)濾器，包括一個(gè)冷凝水存儲(chǔ)罐和兩個(gè)電磁閥。壓縮空氣中的水分在重力作用下流經(jīng)一個(gè)常開(kāi)的電磁閥SV8到儲(chǔ)水箱。在程序中，PLC發(fā)出命令后關(guān)閉電磁閥SV8，同時(shí)打開(kāi)SV9（見(jiàn)圖1），收集好的水分在壓縮空氣的壓力下排出，而后恢復(fù)。當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)后，在程序控制下疏水程序每9min運(yùn)行一次，每次持續(xù)5s[2]。其后高壓氣體進(jìn)入碳塔，碳塔過(guò)濾室包含活性炭用來(lái)吸收壓縮空氣中的油蒸汽，壓空從設(shè)備頂端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)碳床，從底部排出。高壓氣體通過(guò)一個(gè)三通閥流經(jīng)Tower#1（Tower#2處于隔離狀態(tài)）吸收高壓空氣中的水分，含有水分的壓空從塔頂進(jìn)入。水分被吸收，干燥的空氣從底部出來(lái)，經(jīng)過(guò)一個(gè)后置過(guò)濾器過(guò)濾其中的雜質(zhì)顆粒，防止堵塞管道，最后高壓氣體進(jìn)入高壓氣罐中。

圖1 ECC系統(tǒng)干燥器流程圖Fig.1 Flow chart of ECC system dryer

主要部件功能：

1）預(yù)過(guò)濾器（PRE-FILTER）：主要作用是從壓縮空氣中分離冷凝水，主要包括一個(gè)冷凝水的儲(chǔ)藏罐和兩個(gè)電磁閥。在干燥塔故障時(shí)，可以通過(guò)旁路管線上的針型閥NV3來(lái)進(jìn)行手動(dòng)排水。

2）碳塔（CARBON TOWER）：碳塔的過(guò)濾室中包含活性炭用來(lái)吸收壓縮空氣中的油蒸氣，含油的壓空從塔頂進(jìn)入，經(jīng)過(guò)碳床從底部排出。

3）干燥塔（DRYING TOWER）：吸收壓縮空氣中的水分，含有水氣的壓空從塔頂進(jìn)入，水氣被吸收，干燥的空氣從底部出來(lái)。

4）后置過(guò)濾器（AFTER-FILTER）：主要功能是過(guò)濾干燥劑和雜質(zhì)顆粒，防止堵塞管道。

1.3 缺陷情況概述

通過(guò)工單查詢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在2021年2月至7月，ECC干燥器失效缺陷記錄多達(dá)13條，月平均缺陷次數(shù)高達(dá)2.17次/月。

缺陷情況分布為3類：工藝回路缺陷、控制回路缺陷、報(bào)警回路缺陷。經(jīng)調(diào)查后，總結(jié)缺陷主要為工藝回路缺陷，且將缺陷鎖定為電磁閥。電磁閥主要故障有以下3種：①電磁閥動(dòng)作不到位；②卡套漏氣；③電磁閥線圈燒毀。

該缺陷影響專設(shè)安全系統(tǒng)的可用性，若專設(shè)安全系統(tǒng)不可用，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)，將停機(jī)停堆小修。此問(wèn)題不僅成為班組首要缺陷，而且也引起維修、技術(shù)、運(yùn)行部門(mén)的高度重視，成為監(jiān)督站重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，亟待解決。

2 原因分析

2.1 電磁閥選型不合適

調(diào)研其他重水堆電廠發(fā)現(xiàn)，秦三廠1號(hào)機(jī)組ECC干燥器電磁閥與其他電廠型號(hào)（1102-300P2AA1）一致。但電磁閥的供電電源有差別，其他重水堆電廠電源電壓為120VAC，電源電壓頻率是60Hz，而國(guó)內(nèi)電廠的電源參數(shù)是120VAC，頻率是50Hz[3]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量供電電源為126VAC，電壓頻率是50Hz。由于現(xiàn)場(chǎng)的電源頻率與電磁閥型號(hào)不一致可能導(dǎo)致電磁閥線圈發(fā)熱量大，在長(zhǎng)時(shí)間帶電情況下導(dǎo)致線圈的絕緣材質(zhì)脫落，出現(xiàn)電磁閥線圈短路故障[4]。

為了證明猜想，班組利用實(shí)驗(yàn)室搭建了平臺(tái)，通過(guò)變頻器模擬電源不同頻率如40Hz，45Hz，50Hz，55Hz，60Hz，65Hz，70Hz，電磁閥通電一周后通過(guò)絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試線圈絕緣情況。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，電磁閥線圈絕緣電阻隨供電電源頻率的減小而減小。所以現(xiàn)場(chǎng)的電源頻率對(duì)電磁閥線圈故障有影響，現(xiàn)場(chǎng)的電源頻率與電磁閥型號(hào)不一致是明顯不符合項(xiàng)，此因素為要因。

2.2 彈簧長(zhǎng)度不足，對(duì)電磁閥動(dòng)作不到位的影響

ECC系統(tǒng)干燥塔在切換增壓過(guò)程中電磁閥帶電，閥芯向下運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，使電磁閥進(jìn)氣口和出氣口導(dǎo)通，排氣口關(guān)閉。若電磁閥彈簧長(zhǎng)度不足，則彈力不足，電磁閥可能閥芯動(dòng)作不到位。

測(cè)量彈簧的初始長(zhǎng)度，與更換到現(xiàn)場(chǎng)的新備件彈簧長(zhǎng)度進(jìn)行比對(duì)后均為6.51mm左右，從長(zhǎng)度上發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯異常。

但為進(jìn)一步確認(rèn)彈簧的初始長(zhǎng)度對(duì)電磁閥動(dòng)作到位情況影響程度，將相同材質(zhì)、不同長(zhǎng)度（6.1mm～6.5mm逐漸遞增0.1mm）的彈簧換到電磁閥上并搭建回路進(jìn)行通電試驗(yàn)，看閥芯是否動(dòng)作到位。

在經(jīng)過(guò)72h的長(zhǎng)時(shí)間通電后，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁閥動(dòng)作仍無(wú)卡澀的現(xiàn)象，因此彈簧的初始長(zhǎng)度發(fā)生變化沒(méi)有導(dǎo)致電磁閥閥芯動(dòng)作不到位的情況，所以是非要因。

2.3 雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥閥芯

干燥塔在切換增壓過(guò)程中電磁閥線圈得電后，閥芯在磁力的作用下提起，電磁閥氣路導(dǎo)通，線圈失電后，閥芯在重力和彈簧彈力的作用下回到初始位置上，電磁閥關(guān)閉。電磁閥閥芯呈錐面，與底座之間通過(guò)切合實(shí)現(xiàn)密封。若電磁閥閥芯有雜質(zhì)，異物導(dǎo)致閥芯錐面密封不嚴(yán)，電磁閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)阻斷功能[5]。

對(duì)電磁閥進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)閥芯通常伴有黑色雜質(zhì)。班組收集了閥芯的雜質(zhì)，并經(jīng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室分析其主要成分為鐵的氧化物，即鐵銹。

干燥器有兩種模式。在正常運(yùn)行模式下，流經(jīng)電磁閥的壓縮空氣經(jīng)過(guò)層層過(guò)濾，最終流經(jīng)的氣體中的雜質(zhì)顆粒應(yīng)不大于3μm（見(jiàn)圖2）。

圖2 電磁閥SV7結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of solenoid valve SV7

干燥器在練習(xí)模式下，流經(jīng)電磁閥的高壓氣體是通過(guò)從高壓氣箱底部引出的管線經(jīng)過(guò)140過(guò)濾器后，到達(dá)電磁閥。高壓氣箱中的氣體是經(jīng)過(guò)干燥器處理的氣體，理論上高壓氣箱中的氣體中雜質(zhì)顆粒應(yīng)不大于3μm（見(jiàn)圖3）。

圖3 正常模式氣流順序Fig.3 Normal mode air flow sequence

通過(guò)查詢資料，排查氣流管線及相關(guān)設(shè)備材質(zhì)發(fā)現(xiàn)成分中含有碳鋼，推斷電磁閥閥芯的雜質(zhì)來(lái)源有兩種可能：一種可能為干燥器的管道上的銹蝕，另外一種為高壓氣箱內(nèi)部的銹蝕。長(zhǎng)期雜質(zhì)累積造成電磁閥閥芯動(dòng)作卡澀，使功能失效。

3 改進(jìn)措施

3.1 管線線路變更

干燥器的后置過(guò)濾器本身即可以過(guò)濾掉3μm以上的顆粒，因此可以在不改變現(xiàn)有操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改練習(xí)模式的氣源管路走向，使到達(dá)140過(guò)濾器的氣體先經(jīng)過(guò)后置過(guò)濾器過(guò)濾后，再與CV4的出口再生管線相連。

具體實(shí)施步驟如下：

1）拆除CV4下端原再生管線，并按原管線規(guī)格重新配管，接入到FR2（后置過(guò)濾器）的入口三通。

2）在FR2入口管線上加裝三通，與CV4的出口再生管線相連接。

3）原再生管線接入口加裝堵頭。

4）在干燥器運(yùn)行期間對(duì)新增的各個(gè)接頭進(jìn)行撿漏，確認(rèn)接頭緊固，無(wú)漏氣。

圖4 練習(xí)模式氣流順序Fig.4 Practice mode air flow sequence

圖5 修改后的管線修改圖Fig.5 Modified pipeline diagram

通過(guò)變更優(yōu)化練習(xí)模式下來(lái)自高壓氣箱線，連續(xù)6個(gè)月對(duì)干燥器的缺陷進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：通過(guò)管線變更，在練習(xí)模式下，高壓氣箱中的氣體經(jīng)過(guò)了后置過(guò)濾器的對(duì)3μm以上顆粒的進(jìn)行了過(guò)濾。統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出在2021年10月～2022年3月中，因電磁閥閥芯卡澀導(dǎo)致的ECC干燥器失效次數(shù)為0次，效果顯著。

3.2 電磁閥選型變更

秦三廠選用電磁閥為60Hz，但電源頻率為50Hz，長(zhǎng)期投用可能會(huì)導(dǎo)致電磁閥線圈持續(xù)發(fā)熱，絕緣材質(zhì)脫落，造成內(nèi)部短路。因此，提出變更使用與電源頻率一致（50Hz）的電磁閥進(jìn)行替換。

通過(guò)變更優(yōu)化練習(xí)模式下來(lái)自高壓氣箱氣路管線，連續(xù)6個(gè)月對(duì)干燥器的缺陷進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電磁閥變更后缺陷統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of defects after electromagnetic valve changes

臨時(shí)變更實(shí)施后，可以看出在2021年10月～2022年3月中，因電磁閥線圈缺陷導(dǎo)致的ECC干燥器失效次數(shù)為0次，效果顯著。

3.3 效果檢查

對(duì)策實(shí)施后，對(duì)秦三廠2021年10月～2022年3月的ECC干燥器異常報(bào)警的情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)對(duì)策實(shí)施減少了ECC干燥器異常報(bào)警次數(shù)，月平均報(bào)警次數(shù)由活動(dòng)前的2.17次/月減少至0.5次/月，達(dá)到了之前的期望目標(biāo)（1.5次/月）。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施示意圖Fig.6 Schematic diagram of on-site implementation

對(duì)策實(shí)施后，以運(yùn)行6個(gè)月時(shí)間為對(duì)比參考，電磁閥動(dòng)作不到位與電磁線圈損壞的缺陷次數(shù)從7次減少至0次，故障得到了有效的解決。

以此可見(jiàn)，電磁閥選型的變更以及前置過(guò)濾器管線線路變更效果是十分有效的。本次變更改造有效降低了ECC干燥器異常報(bào)警的缺陷率，提高了專設(shè)安全系統(tǒng)的可靠性，為機(jī)組安全發(fā)電運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支持。

圖7 更換后電磁閥示意圖Fig.7 Schematic diagram of the solenoid valve after replacement

4 總結(jié)

核安全無(wú)小事，ECC系統(tǒng)作為重水堆專設(shè)安全系統(tǒng)之一其重要性不言而喻，其干燥器異常報(bào)警作為工作班組困擾許久的缺陷，通過(guò)本次消缺，從前期原因分析到后期對(duì)策制定，使用單一變量法抽絲剝繭，通過(guò)優(yōu)化變更消除缺陷點(diǎn)，消除了機(jī)組專設(shè)安全系統(tǒng)的運(yùn)行隱患，提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性，也為今后類似故障提供了消缺思路。