一種大型內(nèi)置式彈簧閥內(nèi)漏原因分析及在線整定技術(shù)應(yīng)用

胡友平，周小雄

(中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東 臺(tái)山 529200)

某核電站3號(hào)機(jī)組采用CPR1000技術(shù)，高壓給水加熱器系統(tǒng)(AHP)水側(cè)旁路管線設(shè)計(jì)有電動(dòng)旁路閥和彈簧加載閥，其中電動(dòng)旁路閥還設(shè)置電動(dòng)旁路小閥。機(jī)組在100%Pn平臺(tái)首次進(jìn)行機(jī)組性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)出力不足，排查發(fā)現(xiàn)主給水流量控制系統(tǒng)(ARE)入口溫度(220.24 ℃)較AHP出口溫度(225.71 ℃)偏低近6 ℃，該問題對(duì)機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了較大影響，需要分析問題的根本原因并進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)設(shè)備介紹

高壓給水加熱器系統(tǒng)介于電動(dòng)給水泵系統(tǒng)與主給水流量控制系統(tǒng)之間，利用汽輪機(jī)抽汽加熱高壓給水，保證進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水溫度,系統(tǒng)設(shè)置6號(hào)和7號(hào)兩級(jí)高壓加熱器,采用雙列布置。其流程簡(jiǎn)圖見圖1。

高加罐體由東方鍋爐(集團(tuán))有限公司供貨，每列給水容量各為50%。高壓加熱器水側(cè)旁路設(shè)置閘板式電動(dòng)隔離門AHP009VL、彈簧加載閥AHP008VL兩條管線[1]，均按照35%的額定流量設(shè)計(jì)，當(dāng)高壓給水加熱器單側(cè)隔離后，電動(dòng)旁路閥自動(dòng)開啟，65%的流量通過運(yùn)行的加熱器組，35%的流量通過旁路管線。彈簧加載的旁路閥，用來在電動(dòng)旁路開啟失效后，保證足夠給水流向蒸汽發(fā)生器。

圖1 系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

旁路彈簧加載閥是內(nèi)置式彈簧調(diào)節(jié)閥，該閥重達(dá)4.38 t，長(zhǎng)1.94 m，高1.874 m，由威爾廠家整套供貨，彈簧閥壓力設(shè)定值為1.913×105Pa，由廠家根據(jù)設(shè)計(jì)提資在廠內(nèi)完成整定，現(xiàn)場(chǎng)不需要重新校驗(yàn)，閥門結(jié)構(gòu)見圖2。閥門與規(guī)格為508 mm×25 mm、材質(zhì)為WB36CN1的管道對(duì)接焊，布置在常規(guī)島廠房6.2 m樓層圍欄外側(cè)，懸空于APA給水泵油換熱器上方，閥門上、下部有多條管道阻擋，內(nèi)側(cè)也有儀表管線以及廠房立柱阻擋，若進(jìn)行閥門整體更換，需切割多處受影響管道，拆除周邊風(fēng)管，且施工工作涉及高空起重、交叉作業(yè)、防異物等問題，現(xiàn)場(chǎng)安全質(zhì)量管控難度很大。

圖2 AHP008VL彈簧加載閥結(jié)構(gòu)

2 高加水側(cè)溫度偏差原因分析

安全閥動(dòng)作后根據(jù)外部現(xiàn)象很容易判斷，動(dòng)作原因及處理技術(shù)成熟[2]，但內(nèi)置彈簧閥由于難于直觀觀察到是否泄漏，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行分析。主給水流量控制系統(tǒng)入口溫度較高壓給水加熱器出口溫度存在偏差原因很多，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過以下逐步排查后，確認(rèn)了問題的根本原因。

2.1 儀表測(cè)量誤差

高壓給水加熱器每列出口均設(shè)計(jì)有在線溫度計(jì)，同時(shí)性能試驗(yàn)小組根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需要，在現(xiàn)場(chǎng)安裝有臨時(shí)溫度測(cè)點(diǎn)，這些溫度計(jì)都校驗(yàn)合格且在有效期，現(xiàn)場(chǎng)兩者測(cè)量的溫度偏差不大，可排除儀表原因?qū)е麓嬖跍囟绕睢?/p>

2.2 保溫效果差、熱損失大

高壓給水加熱器出口與給水流量控制系統(tǒng)入口管線較短，現(xiàn)場(chǎng)檢查保溫符合設(shè)計(jì)要求，與參考電站的保溫設(shè)計(jì)類似，因此保溫效果差的可能性較小，保溫疑問可排除。

2.3 高壓給水加熱器水側(cè)旁路存在內(nèi)漏

高壓給水加熱器水側(cè)旁路共有3個(gè)閥門，包括旁路電動(dòng)閥、旁路電動(dòng)小閥、彈簧旁路閥，對(duì)這3個(gè)閥門內(nèi)漏情況進(jìn)行分析如下。

2.3.1 熱力計(jì)算分析

假設(shè)高壓加熱器旁路存在內(nèi)漏，內(nèi)漏流量為Q1，通過高壓加熱器的流量為Q2，進(jìn)入ARE母管的總量為Q，那么存在如下關(guān)系：

Q=Q1+Q2

(1)

高壓給水加熱器旁路泄漏時(shí)，對(duì)應(yīng)工質(zhì)的溫度和壓力與除氧器一致，其焓值為H1。高加出口工質(zhì)的焓值為H2，ARE入口混合流體的焓值為H，那么根據(jù)能量守恒：

Q*H=Q1*H1+Q2*H2

(2)

根據(jù)性能試驗(yàn)小組測(cè)量的數(shù)據(jù)，帶入式(2)，如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)性能儀表測(cè)量數(shù)據(jù)

計(jì)算可知：高壓給水加熱器旁路流量占總流量的11.3%，旁路發(fā)生內(nèi)漏。

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

旁路閥的上游介質(zhì)來自除氧器，滿功率運(yùn)行溫度約177 ℃，旁路下游正常情況與高壓給水加熱器出口溫度連通，溫度接近，因此若旁路發(fā)生泄漏，則閥門中流體一直保持流通，閥體及管線內(nèi)的溫度應(yīng)與除氧器溫度接近，根據(jù)此原理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查情況如下：電動(dòng)旁路閥及電動(dòng)旁路小閥處于全關(guān)狀態(tài)，對(duì)閥門盤根、閥后探傷孔金屬部分用溫槍測(cè)量溫度約120 ℃，內(nèi)漏可能較小。對(duì)彈簧加載閥，測(cè)量閥后探傷口管座位置的溫度為170 ℃，與除氧器溫度較為接近，因此確定彈簧加載閥內(nèi)漏。

2.4 根本原因確認(rèn)

彈簧加載閥壓力定值由設(shè)計(jì)方根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的高壓加熱器設(shè)備阻力值計(jì)算得出，查詢廠家給出的單臺(tái)阻值為0.03 MPa，較同類型機(jī)組的0.077 MPa明顯偏小，存在廠家提供管阻值錯(cuò)誤的可能性，與廠家核算后，確認(rèn)提資的管阻數(shù)據(jù)存在偏差，經(jīng)過重新計(jì)算，給出了相關(guān)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)：?jiǎn)闻_(tái)高加50%給水流量時(shí)，7號(hào)高加管側(cè)壓降約0.061 MPa，6號(hào)高加管側(cè)壓降約0.054 4 MPa；單臺(tái)高加在60%給水流量時(shí)，7號(hào)高加管側(cè)壓降約0.099 1 MPa，6號(hào)高加管側(cè)壓降約0.088 4 MPa。廣東電力設(shè)計(jì)院根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)，重新計(jì)算出彈簧加載閥壓力定值應(yīng)為2.348×105Pa。

3 問題解決方案

旁路彈簧加載閥由威爾閥門廠家供貨，廠家技術(shù)專家到現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后，建議重新采購(gòu)新閥門進(jìn)行整閥更換，當(dāng)時(shí)機(jī)組處于即將商運(yùn)階段，若重新采購(gòu)閥門，供貨時(shí)間在12個(gè)月以上，現(xiàn)場(chǎng)條件不允許，專項(xiàng)組經(jīng)過多次討論后，制定、實(shí)施了2步走方案：首先實(shí)施彈簧預(yù)緊力臨時(shí)調(diào)整方案，確保了機(jī)組按期商運(yùn)；在機(jī)組大修期間實(shí)施正式處理方案。

3.1 彈簧預(yù)緊力臨時(shí)調(diào)整方案

3.1.1 方案的制定

CRR1000機(jī)組高壓給水加熱器布置有旁路彈簧加載閥，其作用是旁路電動(dòng)閥出現(xiàn)拒開時(shí)打開泄壓，目前先進(jìn)的EPR、AP1000機(jī)組以及絕大部分火電機(jī)組均未設(shè)計(jì)該路管線，基于以上考慮，項(xiàng)目制定了在原閥門上壓縮彈簧、調(diào)整壓力定值的方案。

3.1.2 彈簧壓縮量的理論計(jì)算

為確保調(diào)整后閥門具有一定的開度裕量，方案確定按照55%額定流量時(shí)的壓力值2.318 ×105Pa進(jìn)行調(diào)整。

參照3號(hào)機(jī)的設(shè)備圖紙，在原設(shè)定值1.913×105Pa的時(shí)候，彈簧的壓縮量為283 mm，將數(shù)據(jù)帶入彈簧力計(jì)算公式：F=Kx,可計(jì)算彈簧需要進(jìn)一步壓縮量L=283*(2.318-1.913)/1.913=60 mm。

3.1.3 現(xiàn)場(chǎng)改造實(shí)施

為了臨時(shí)調(diào)整方案的順利實(shí)施，首先在安裝階段的4號(hào)機(jī)組4AHP008VL彈簧閥進(jìn)行最大壓縮量試驗(yàn)(最大70 mm)，在確認(rèn)彈簧具有壓縮裕量后，利用3號(hào)機(jī)組100%Pn平臺(tái)跳堆試驗(yàn)窗口，成功實(shí)施了彈簧壓縮60 mm的調(diào)整工作，后續(xù)經(jīng)過同工況下再次驗(yàn)證，給水溫度偏低問題解決，機(jī)組性能滿足設(shè)計(jì)要求，機(jī)組順利商運(yùn)。

3.2 最終解決方案

彈簧預(yù)緊力臨時(shí)調(diào)整方案存在彈簧壓縮后閥門開度裕量不足問題，為確保壽命期內(nèi)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，需要制定、實(shí)施徹底解決方案。

3.2.1 方案的確定

a. 方案一：閥門的整體更換。存在困難：成本高、工期長(zhǎng)；閥門重且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境難以完成新舊閥門的吊裝；閥連接管道切割后存在管道短缺、焊接裕量難控制和產(chǎn)生異物難清理；閥門更換涉及高空起重、交叉作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)安全質(zhì)量管控難度極大等。

b. 方案二：更換閥芯、彈簧組件。存在困難：廠家技術(shù)人員認(rèn)為單獨(dú)制造的新閥門組件和舊的閥體可能存在契合度不夠的問題，且此閥門較為精密，壓力值范圍較小，一定程度上可能會(huì)影響到閥門定值的準(zhǔn)確性。

c. 方案三：更換閥門彈簧組件+在線整定方案。廠家從技術(shù)、商業(yè)等角度考慮，不提供或沒有在線壓力校驗(yàn)的方法；目前火電廠安全閥的調(diào)整方法成熟、簡(jiǎn)單[3]，但對(duì)于內(nèi)置彈簧閥在線整定在廣核集團(tuán)范圍無執(zhí)行反饋，在國(guó)內(nèi)火電廠中也難以找到借鑒案例。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，經(jīng)過10余次會(huì)議專項(xiàng)討論后，最終創(chuàng)新性地選用了“機(jī)組大修期間更換閥門彈簧組件+在線整定方案”，為了確保彈簧組件能順利安裝于原閥體上，在備件采購(gòu)時(shí)對(duì)廠家特別提出了更換要求，即原閥門保留閥殼、閥座、閥頭、閥頭導(dǎo)向件，新的彈簧組件必須在原閥門模具上完成。

3.2.2 閥門彈簧組件+在線整定方案

根據(jù)工作需要，按照?qǐng)D3完成現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)備的安裝，以解決存在的觀察、穩(wěn)壓、水源等問題。

a. 更換閥門彈簧組件，閥門解體后進(jìn)行密封性檢查，必要時(shí)進(jìn)行研磨處理[4]。

b. 將彈簧加載閥3AHP008VL閥前探傷孔磨開，在前探傷孔處焊接管座和接管，上面安裝一塊高精度壓力表用于觀測(cè)系統(tǒng)壓力；接管上連接臨時(shí)軟管用于排氣、穩(wěn)壓和輔助觀察。

c. 彈簧加載閥后探傷孔磨開，用于使用內(nèi)窺鏡觀察閥門的動(dòng)作、泄漏情況以及閥體殘水排放(接細(xì)軟管，通過虹吸原理排放)，定值調(diào)整試驗(yàn)開始前排空閥后殘留積水。

d. 確定了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為整定值誤差范圍為(0±0.1)×105Pa，即合格范圍為(2.348～2.448)×105Pa。

e. 現(xiàn)場(chǎng)就近選擇合適的廠用水源(3SER203VD)，與閥前隔離區(qū)域內(nèi)的疏水閥(3AHP134/135VL)用規(guī)格為D25 mm、材質(zhì)為20G管道進(jìn)行連接，作為系統(tǒng)注水、升壓水源。定值調(diào)整系統(tǒng)流程示意圖見圖3。

f. 在彈簧加載閥前建立隔離區(qū)，通過外接水源，按照常規(guī)安全閥整定方法，進(jìn)行隔離系統(tǒng)注水、升壓，升壓階段完成隔離邊界嚴(yán)密性檢查，若邊界閥門存在泄漏，需要進(jìn)行處理后再進(jìn)行后續(xù)工作。

g. 當(dāng)觀察到壓力表顯示明顯下降、輔助觀察用軟管水位下降、閥后觀察到有水流出，則確認(rèn)彈簧閥動(dòng)作，若閥門動(dòng)作壓力在(2.348～2.448) ×105Pa范圍內(nèi)，則壓力定值調(diào)整合格；若不在合格范圍內(nèi)，則排空閥后管道、閥體內(nèi)殘水后，對(duì)壓力定值進(jìn)行微調(diào)整，重新進(jìn)行打壓、驗(yàn)證工作，直至壓力定值調(diào)整滿足要求。

圖3 閥門臨時(shí)安裝設(shè)備簡(jiǎn)圖

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施步驟

a. 辦理相關(guān)工作票，完成彈簧加載閥彈簧組件更換、閥門回裝、彈簧整定壓力定值初調(diào)、打壓用水管線連接等工作。

b. 建立隔離區(qū)域，將高壓給水加熱系統(tǒng)與相連接系統(tǒng)進(jìn)行隔離。

c. 開啟SER注水閥3SER203VD、3AHP134/135VL對(duì)閥前系統(tǒng)管線進(jìn)行充水、排氣，管線上排氣閥門排氣結(jié)束后關(guān)閉，臨時(shí)閥001VL/002VL維持打開。

d. 當(dāng)彈簧閥前管線充水完畢，觀察10 min左右進(jìn)行系統(tǒng)密封檢查，若壓力表讀數(shù)、軟管水位無明顯變化，則繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)操作。

e. 當(dāng)002VL后透明塑料軟管有液位顯示后，緩慢調(diào)整注水閥3SER203VD至50%左右開度進(jìn)行管線升壓；當(dāng)壓力表讀數(shù)為2.0×105Pa時(shí)，調(diào)整注水閥至20%左右開度緩慢升壓；壓力表讀數(shù)接近設(shè)定值2.348×105Pa，關(guān)小注水閥緩慢提高壓力0.1×105Pa，觀察壓力表壓力、軟管水位變化。

f. 當(dāng)壓力表讀數(shù)明顯下降、內(nèi)窺鏡觀察閥后漏水、軟管水位突降，則彈簧加載閥動(dòng)作，確認(rèn)壓力定值是否合格。本項(xiàng)目首次升壓至2.333×105Pa時(shí)彈簧加載閥動(dòng)作，結(jié)果不合格。

g. 根據(jù)F=Kx公式計(jì)算出繼續(xù)壓縮量L=264*(2.348-2.333)/2.348=1.7 mm，現(xiàn)場(chǎng)完成彈簧閥定值微調(diào)整。

h. 排空閥后殘水后，重新進(jìn)行c～f步驟，再次驗(yàn)證閥門動(dòng)作值為2.356 8×105Pa，在(2.348～2.448)×105Pa合格范圍內(nèi)，結(jié)果合格。

i. 彈簧加載閥定值調(diào)整工作結(jié)束后系統(tǒng)排水，并完成正式管道的恢復(fù)。

3.2.4 實(shí)施效果

3AHP008VL彈簧加載閥彈簧組件+在線整定方案現(xiàn)場(chǎng)付諸實(shí)施后，在100%Pn工況下驗(yàn)證，高壓給水加熱器出口溫度與ARE入口溫度偏差1.9 ℃，機(jī)組出力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

目前國(guó)內(nèi)電廠中對(duì)安全閥(外置彈簧閥)的在線校驗(yàn)技術(shù)成熟[5]，但內(nèi)置彈簧類閥門定值在線整定一直是發(fā)電廠的一個(gè)技術(shù)盲點(diǎn)，本項(xiàng)目的成功實(shí)施，為后續(xù)此類問題解決開辟了道路，提供了經(jīng)驗(yàn)。另外，在核電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行定檢中，對(duì)于無法離線拆檢的大型閥門，該項(xiàng)目方法具有潛在的推廣性。