核電廠ECC高壓注射氣體隔離閥開啟時間持續(xù)增加問題分析及處理

朱凱亮，周靄琳，朱元生，賈成凱，李偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

1 概況

應急堆芯冷卻（ECC）系統(tǒng)是重水堆的一個專設安全系統(tǒng)，其注射回路包括4個部分：高壓注射部分、中壓注射部分、低壓再循環(huán)部分、公共注射回路部分[1]。當主熱傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)破口導致堆芯冷卻劑減少時，高壓回路通過打開高壓注射氣體隔離閥，4.3 MPa的高壓氣體將高壓水箱中的水迅速加壓，當主熱傳輸系統(tǒng)中的壓力降低到4.3 MPa以下時，高壓水箱中的水被壓入主系統(tǒng)以冷卻燃料，保證堆芯內(nèi)熱量的有效導出以防止堆芯及主系統(tǒng)管道的損壞[2]，高壓注射回路流程圖如圖1所示。

圖1 高壓注射回路流程圖

1.1 ECC高壓注射氣體隔離閥簡介

ECC高壓注射氣體隔離閥是8 in/CL600級的核3級帶手動裝置氣動鍛造不銹鋼三段式球閥，失效開，設計溫度為66 ℃，設計壓力為6.21 MPa，介質(zhì)為空氣，結(jié)構(gòu)如圖2所示。上部為氣動執(zhí)行機構(gòu)，中間通過軛架與閥體相連，氣缸桿與閥桿通過四方插口連接傳遞驅(qū)動力矩[3]。閥體和閥球為不銹鋼材質(zhì)；閥座材質(zhì)為聚甲醛工程塑料；填料及推力軸承材質(zhì)為超高分子量聚乙烯。

圖2 閥門結(jié)構(gòu)圖

1.2 ECC高壓注射氣體隔離閥功能

高壓氣箱與高壓水箱之間通過兩個并聯(lián)安裝的氣動球閥隔離，正常運行情況下，高壓回路處于熱備用狀態(tài)，ECC高壓注射氣體隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當失去一回路冷卻劑事故邏輯觸發(fā)時，ECC高壓注射氣體隔離閥在10 s內(nèi)自動打開，高壓水箱中的水被高壓氣體迅速加壓，被壓入主系統(tǒng)以冷卻燃料[4]。

1.3 閥門開啟時間持續(xù)緩慢增加問題描述

2017 年12月執(zhí)行ECC系統(tǒng)奇回路控制邏輯試驗時，高壓注射氣體隔離閥開啟時間為9.95 s，驗收準則要求開啟時間小于10 s，最近3個月閥門開啟時間為9.80、9.95、9.18 s。

如果設備持續(xù)降級，閥門開啟時間超過10 s，按照技術(shù)規(guī)格書要求，未在規(guī)定時間內(nèi)處理機組需停堆停機。閥門上一次解體為2010年2月，已近8 a。

2 可能原因及判斷準則

2.1 閥芯閥座摩擦阻力增加

閥芯與閥座潤滑不良或閥芯閥座磨損，均會導致閥門開啟時阻力增大，使閥門開啟時間偏長。試驗前閥前高壓氣箱壓力為4.3 MPa，閥后高壓水箱壓力為215 kPa左右，閥門動作時，閥后壓力短時間內(nèi)上升至4.1 MPa左右，瞬間壓降變化，產(chǎn)生高速氣流，在閥芯轉(zhuǎn)動過程中，高速氣流吹過閥芯閥座，會造成一定的潤滑脂損耗。閥門最近一次解體時間為2010年，已接近維修周期8 a，其內(nèi)部存在潤滑能不良的可能。檢查潤滑脂廠家手冊及產(chǎn)品包裝上無使用年限說明，可在大修時解體檢查潤滑情況。

當前閥座已使用16 a，存在損傷可能。高壓氣箱內(nèi)壁為碳鋼材質(zhì)，存在銹蝕物，試驗時存在銹蝕物留在密封面的可能，造成閥門關(guān)閉期間閥座受損。閥芯閥座受損后隨著運行時長增加，摩擦力逐漸增大，與閥門近幾年開啟時間逐漸增大趨勢吻合。

針對以上兩點，結(jié)合閥門設計最大開啟力矩為632.7 N·m，后續(xù)可在閥門解體前進行力矩測量，檢查摩擦阻力是否存在異常，在解體時檢查閥芯閥座。

2.2 氣動執(zhí)行機構(gòu)部分

1）氣動執(zhí)行機構(gòu)潤滑不良。氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部密封件潤滑不良，會使氣動執(zhí)行機構(gòu)摩擦阻力增大，導致閥門開啟時間偏長。該氣動執(zhí)行機構(gòu)使用核級硅脂潤滑劑33M潤滑，于2011年進行過預防性解體，其動作頻率低，僅在每月強制性試驗時全行程動作一次，環(huán)境溫度變化保持在20～40 ℃的室溫下，工作環(huán)境較好，出現(xiàn)降級情況可能性較小。可解體檢查氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部密封件、缸體、各傳動部件潤滑劑是否干涸，缸壁有無磨損。

2）氣動執(zhí)行機構(gòu)彈簧性能下降。長期處于壓縮狀態(tài)彈簧彈性系數(shù)可能會變小，彈簧回彈力不足，導致閥門開啟時間變長。根據(jù)彈簧特性及以往解體檢修經(jīng)驗，暫未發(fā)現(xiàn)彈簧性能下降現(xiàn)象。大修解體后，可對現(xiàn)役執(zhí)行機構(gòu)彈簧及新彈簧進行檢測，比對彈性系數(shù)K值檢查有無降級。

3）彈簧室呼吸孔通流不暢。彈簧室呼吸孔有異物等，會導致氣動執(zhí)行機構(gòu)動作期間呼吸孔通排氣不暢，彈簧室起蓄能作用，減慢氣動執(zhí)行機構(gòu)動作速度，增長動作時間。檢查疏通彈簧室呼吸孔，無堵塞現(xiàn)象，排除該因素。

2.3 供排氣回路部分

1）減壓閥設定值高漂。減壓閥設定值高漂，工作氣壓升高，氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)氣量增大，排氣口一定的情況下，導致排氣量增大、排氣時間長，閥門開啟時間變長。后續(xù)可在氣動執(zhí)行機構(gòu)更換或閥門解體時檢查標定。

2）排氣回路排氣速率低。閥門開啟過程中，氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)氣體通過快排閥及電磁閥排出，如果排氣不暢，排出速度慢，導致閥門開啟時間變長。

氣動執(zhí)行機構(gòu)快排閥和電磁閥管線及接頭對氣缸排氣具有一定的節(jié)流作用，經(jīng)試驗，拆除管線及接頭使其直接對空會加快排氣速度，拆除快排閥管線及接頭可使開啟時間有0.4 s左右提升，拆除電磁閥管線及接頭可使開啟時間有0.1 s左右提升（如圖3、圖4）。拆除管線及接頭對閥門開啟時間的縮短有正向作用，但其配置和影響是恒定的，不會隨時間變化而緩慢增長，不是造成閥門開啟時間持續(xù)緩慢增長的根本原因。拆除后，試驗測得閥門開啟時間為9.13 s，比此前的9.95 s有明顯改善。

圖3 快排閥管線及接頭

圖4 電磁閥管線及接頭

2.4 環(huán)境溫度影響

圖5為自2010年閥門解體后至閥門開啟時間接近驗收準則期間的試驗情況，閥門開啟時間呈一定規(guī)律變化，動作時間均值呈每年上升趨勢，每年隨氣溫的降低在12月—2月期間出現(xiàn)高點峰值且峰值每年遞增，與1#機組曲線相似，說明氣溫對于閥門開啟時間有一定影響，目前房間溫度維持在20 ℃左右。溫度變化會對閥門開啟時間有一定影響，但與閥門開啟時間逐年增長沒有關(guān)系，是一促成因素。安裝閥體加熱裝置并在試驗前將閥體加熱至28 ℃左右（如圖6），試驗閥門開啟時間為8.5 s，有一定縮短。

圖5 閥門動作試驗開啟時間

圖6 閥體加熱裝置

2.5 小結(jié)

氣動執(zhí)行機構(gòu)快排閥和電磁閥管線及接頭、閥體溫度會對閥門開啟時間產(chǎn)生影響，但其影響是一定的，不隨時間變化而緩慢增長，不是造成閥門開啟時間增長的根本原因，但可以根據(jù)其影響對閥門開啟時間進行干預。

綜上所述，可根據(jù)以下判斷準則進行可能原因判斷：

1）針對閥芯閥座潤滑不良、磨損等對閥門本體阻力的影響，檢測閥門開啟力矩是否符合設計要求；

2）針對閥芯與閥座潤滑不良，解體閥門后目視檢查閥芯閥座表面潤滑劑是否干涸、變質(zhì)；

3）針對閥芯閥座表面情況，目視檢查閥座有無劃痕、變形等缺陷，檢查閥球表面有無劃痕、磨損；

4）針對減壓閥設定值高漂問題，使用標準表檢查氣路實際壓力是否符合要求；

5）針對氣動執(zhí)行機構(gòu)彈簧性能下降等對氣動執(zhí)行機構(gòu)阻力的影響，檢查現(xiàn)役氣動執(zhí)行機構(gòu)彈簧彈性系數(shù)K值，并與新彈簧備件K值進行比較判斷是否降級；

6）針對氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部密封件潤滑不良摩擦阻力增大，解體檢查氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部密封件、缸體、各傳動部件潤滑劑是否干涸，缸壁是否磨損。

3 機組運行期間閥門的處理方案

3.1 閥門開啟時間不超過10 s

如果閥門開啟時間在9.8～10 s之間，則縮短試驗周期，由1個月改為半個月。

3.2 閥門開啟時間超過10 s

如果閥門開啟時間超過10 s，則按照如下順序執(zhí)行。

溫度對碳納米管纖維/環(huán)氧樹脂界面剪切強度的影響······························馬奇利 張翠霞 王 晗 蔣 瑾 呂衛(wèi)幫 (6,961)

1）更換氣動執(zhí)行機構(gòu)。具備氣動執(zhí)行機構(gòu)可用備件1個。

2）檢查減壓閥設定值。檢查減壓閥設定值是否滿足要求。

3）安裝投用閥體加熱裝置。綜合歷年閥門試驗數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度降低會增加潤滑脂黏度、導致閥門開啟阻力增加，導致冬季開閥時間有所增長。但通過廠房加熱系統(tǒng)控制廠房最低溫度在20 ℃，歷年溫度無明顯變化，不會造成閥門開啟時間持續(xù)增長。提升閥體溫度可以提升開閥速度。

4）聯(lián)系運行再次執(zhí)行閥門動作試驗。如果閥門開啟時間在9.8～10 s之間，則縮短試驗周期，由1個月改為半個月；如果閥門開啟時間仍超過10 s，則解體閥門，機組按照技術(shù)規(guī)格書要求置于相應模式。

4 機組大修期間閥門的處理方案

4.1 閥門本體部分

1）檢測閥門開啟力矩。閥體拆前無壓力情況下，測試閥門開啟力矩值為120 N·m，小于最大開啟力矩632.7 N·m；在閥門前后存在壓差的情況下，測試閥門開啟力矩值為1500 N·m，小于氣動執(zhí)行機構(gòu)開啟力矩1861 N·m。

2）檢查閥芯閥座表面情況。閥球、閥座表面有輕微劃傷，使用金相砂紙進行打磨。

3）檢查閥芯閥座表面潤滑劑情況。進出口閥座潤滑脂基本消耗殆盡，表面無潤滑脂殘留。

4.2 氣動執(zhí)行機構(gòu)及儀控附件部分

1）氣動執(zhí)行機構(gòu)密封件潤滑情況檢查。氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)壁潤滑良好，氣缸內(nèi)壁無磨損現(xiàn)象。

2）氣動執(zhí)行機構(gòu)彈簧K值檢測。氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)彈簧K值同新彈簧備件K值接近，彈簧性能無明顯降級。

3）氣動執(zhí)行機構(gòu)減壓閥標定。儀控專業(yè)標定氣動執(zhí)行機構(gòu)減壓閥，確認減壓閥壓力設定值滿足要求。

4.3 解體后閥門動作試驗情況

檢修后閥門開啟時長為4.61 s，比修前有明顯下降。目前距上次閥門檢修已4.5 a，閥門開啟時長為6.36 s。

5 原因總結(jié)及改進措施

5.1 原因總結(jié)

綜上所述，得出閥門開啟時間持續(xù)緩慢增加的直接原因是閥門開啟時閥芯閥座間的摩擦阻力增大；根本原因是閥座潤滑脂缺失，導致閥芯閥座潤滑不良；促成原因是閥門前后壓差較大，管線設計布置導致閥門開啟時潤滑脂易受風噪吹損。

5.2 改進措施

從表1發(fā)現(xiàn)，兩臺機組閥門PV82對運行時間不敏感，閥門PV81由于管道布置原因，前后由彎頭連接，氣流通過順暢、流阻低；而閥門PV82前后均由直管上三通連接，氣流混亂、流阻高，所以閥門PV81的潤滑脂所受風燥吹損強于閥門PV82，管線布置如圖7所示。

表1 閥門服役時長及最大開啟時長

圖7 閥門管線布置

如閥門安裝時潤滑良好，從投運到潤滑脂完全耗盡可達16 a；如閥門安裝時潤滑不足，不到8 a潤滑脂便消耗殆盡，導致閥門開啟時間接近10 s。

結(jié)合兩臺機組閥門PV81的修前情況，認為即使在潤滑脂完全喪失的情況下，閥門開啟時間也只會接近而不超過10 s，同時可通過減少排氣阻力的方式將開閥時間降低約0.5 s。基于以上數(shù)據(jù)和分析，將閥門由預防性維修改為預測性維修，即當閥門開啟時間連續(xù)2個月超過9 s時，在下個大修窗口解體閥門。

6 結(jié)語

本文通過對高壓注射氣體隔離閥開啟時間持續(xù)增加問題進行分析，找出了檢修方式及預維策略的不足。結(jié)合原因，針對機組在不同模式下，分別制定干預方式及檢修方案，可作為保證機組安全運行長期有效的管控手段，對重水堆專設安全系統(tǒng)檢修具有重要意義。