核電廠(chǎng)定子冷卻水泵切換失敗原因分析

劉斌，張精干，史慶峰，陳松，邵家泉，岳興華

（中核核電運(yùn)行管理有限公司技術(shù)二處，浙江海鹽 314300）

0 引言

國(guó)內(nèi)某核電廠(chǎng)2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻水泵采用一用兩備的方式，當(dāng)運(yùn)行泵發(fā)生故障時(shí)可自動(dòng)切換到備用泵運(yùn)行，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如果運(yùn)行泵發(fā)生故障而無(wú)法進(jìn)行正常切換，將可能導(dǎo)致定子冷卻水系統(tǒng)失效從而引起停機(jī)，甚至可能損壞發(fā)電機(jī)設(shè)備[1]。該電廠(chǎng)在進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子冷卻系統(tǒng)冷卻水泵切換試驗(yàn)過(guò)程中曾多次發(fā)生切換備用泵失敗情況，懷疑原因?yàn)閮膳_(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)備用泵不能正常出力，導(dǎo)致壓力低，無(wú)法頂開(kāi)出口逆止閥。鑒于該核電廠(chǎng)多次出現(xiàn)定子冷卻水泵切換失敗現(xiàn)象，并且該現(xiàn)象不是個(gè)例，因此有必要對(duì)該缺陷進(jìn)行原因分析，從根本上解決該缺陷，同時(shí)為發(fā)生類(lèi)似缺陷的電廠(chǎng)提供一種解決問(wèn)題的思路與方法，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 定子冷卻水泵切換情況

圖1為某核電廠(chǎng)該機(jī)組定子冷卻系統(tǒng)一用兩備泵管道流體走向及某次從3號(hào)泵切換至1號(hào)泵失敗情況示意圖。3號(hào)泵正常切換至1號(hào)泵操作過(guò)程為：維持1號(hào)泵出口截止閥關(guān)閉，開(kāi)啟1號(hào)泵，待1號(hào)泵運(yùn)行穩(wěn)定后，緩慢開(kāi)啟1號(hào)泵出口截止閥，待兩臺(tái)泵出口流量及壓力基本相同并穩(wěn)定時(shí)緩慢關(guān)閉3號(hào)泵出口截止閥，后停止3號(hào)泵。在1、3號(hào)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)泵需同時(shí)克服逆止閥彈簧力與逆止閥背部壓力才能將逆止閥頂開(kāi)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)泵之間切換。力，流量基本無(wú)變化，1號(hào)泵對(duì)系統(tǒng)流量貢獻(xiàn)為0，表明1號(hào)泵出口逆止閥未被頂開(kāi)；2）當(dāng)單泵運(yùn)行時(shí)，各泵出口壓力、電流、流量均正常，滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需要；3）根據(jù)單泵的電流和流量，單泵運(yùn)行的性能排序?yàn)?號(hào)泵＞1號(hào)泵＞2號(hào)泵。

圖1 定子冷卻系統(tǒng)一用兩備泵管道流體走向及切換情況示意圖

表1 定子冷卻水泵具體切換數(shù)據(jù)

2 定子冷卻水泵切換失敗原因分析及處理

對(duì)定子冷卻水泵進(jìn)水管路布置、泵性能檢查、泵出口逆止閥等可能引起泵切換失敗的原因進(jìn)行了全面分析，同時(shí)對(duì)逆止閥彈簧斷裂原因進(jìn)行了分析，明確了泵切換失敗原因，并實(shí)施了相應(yīng)處理措施，備用泵能正常切換。

2.1 管路布置分析

從圖1中可以看出，3臺(tái)泵進(jìn)水管道均由1根主管道引出，并且3號(hào)泵進(jìn)水管道在1、2號(hào)泵進(jìn)水管道上游更靠近定子冷卻水箱，懷疑3號(hào)泵可能優(yōu)先搶水，引起1號(hào)泵進(jìn)水流量較低，導(dǎo)致切換失敗。該電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組與該機(jī)組管道布置方式一致，每次從3號(hào)泵均能正常切換至1號(hào)泵。某次切換數(shù)據(jù)如表2所示，根據(jù)單泵的電流和流量，單泵運(yùn)行相對(duì)性能與2號(hào)機(jī)組相同：3號(hào)泵＞1號(hào)泵。并且2號(hào)機(jī)組1、2號(hào)泵入水管道布置方式一致，3號(hào)泵可正常切換至2號(hào)泵，因此可排除因泵進(jìn)水管路布置不合理原因?qū)е卤们袚Q失敗。

表2 1號(hào)機(jī)組3號(hào)泵切換至1號(hào)泵數(shù)據(jù)

2.2 定子冷卻水泵性能分析

表3 3臺(tái)泵單運(yùn)行參數(shù)

2.3 定子冷卻水泵出口逆止閥性能分析

2.3.1 逆止閥性能分析

定子冷卻水泵出口逆止閥為對(duì)夾雙瓣碟式逆止閥，由閥體、閥瓣、閥軸、彈簧、螺栓、墊圈構(gòu)成，彈簧位于閥門(mén)背側(cè),泵出口逆止閥為豎直安裝，彈簧朝上，當(dāng)介質(zhì)停止流動(dòng)或倒流時(shí)，閥瓣靠自身質(zhì)量、彈簧彈力作用及倒流截止作用而旋轉(zhuǎn)到閥座上，起到逆止作用，如圖2、圖3所示。

圖2 逆止閥及彈簧示意圖

圖3 逆止閥安裝位置圖

3臺(tái)泵出口逆止閥解體情況如圖4所示，2、3號(hào)泵出口逆止閥彈簧斷裂，1號(hào)泵出口逆止閥彈簧保持完整，在3號(hào)泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)泵出口逆止閥背部壓力與3號(hào)泵出口壓力一致，3號(hào)泵切換至1號(hào)泵時(shí)，1號(hào)泵需同時(shí)克服逆止閥彈簧力與背部壓力才能將逆止閥頂開(kāi)，實(shí)現(xiàn)3號(hào)泵切換至1號(hào)泵。在每次大修結(jié)束首次切換時(shí)，3臺(tái)泵出口逆止閥彈簧均完好，3號(hào)泵均能成功切換至1號(hào)泵，當(dāng)3號(hào)泵出口逆止閥彈簧斷裂后無(wú)法正常切換，切換情況如表4所示，說(shuō)明泵出口逆止閥性能是導(dǎo)致泵無(wú)法正常切換的主要原因。

表4 逆止閥彈簧斷裂與泵切換情況

圖4 3臺(tái)泵出口逆止閥解體情況

當(dāng)1號(hào)泵出口逆止閥彈簧完好，2號(hào)泵出口逆止閥彈簧斷裂時(shí)，2號(hào)泵可成功切換至1號(hào)泵，2號(hào)泵性能要弱于1號(hào)泵，說(shuō)明逆止閥彈簧斷裂不是泵切換失敗的唯一原因，2、3號(hào)泵切換至1號(hào)泵情況如圖5所示。從切換情況中可以得出3號(hào)泵切換至1號(hào)泵失敗的原因?yàn)?號(hào)泵出口逆止閥彈簧完好，3號(hào)泵出口逆止閥彈簧斷裂，1號(hào)泵需同時(shí)克服逆止閥彈簧力及3號(hào)泵直接施加在逆止閥背部的壓力，另外3號(hào)泵性能優(yōu)于1號(hào)泵，兩種因素疊加導(dǎo)致3號(hào)泵切換至1號(hào)泵失敗。其中逆止閥彈簧斷裂為主要原因，1號(hào)泵性能弱于3號(hào)泵為次要原因。

圖5 3號(hào)泵切換至1、2號(hào)泵情況

2.3.2 逆止閥彈簧斷裂原因分析[3-4]

泵正常工作流量為110 t/h，正常工作壓力為0.8 MPa，流體介質(zhì)為水，管道規(guī)格為DN80，逆止閥閥軸直徑為8 mm，彈簧內(nèi)徑為19 mm，兩者相差較大。當(dāng)彈簧配合到閥軸上時(shí)，彈簧和閥軸之間會(huì)存在較大間隙，易于造成碰撞和磨損，如圖6所示。當(dāng)彈簧處于工作狀態(tài)時(shí)，扭臂扭轉(zhuǎn)90°，彈簧整體暴露于流體介質(zhì)中。流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)，對(duì)彈簧造成沖擊，然后從2個(gè)閥瓣之間流過(guò)，如圖7所示，形成湍流，可引起彈簧發(fā)生振動(dòng)。逆止閥安裝在冷卻水泵出口管道，離泵體非常近，此部位流體湍流強(qiáng)度很高，管道內(nèi)的湍流強(qiáng)度可通過(guò)雷諾數(shù)（Re）進(jìn)行計(jì)算：

圖6 閥軸和彈簧配合

圖7 逆止閥迎水面形貌

式中，V、ρ、μ、d分別為流體的流速、流體密度、黏性系數(shù)與管道內(nèi)徑。

泵正常工作流量為110 t/h，換算成流速約為6.08 m/s（閥門(mén)入口內(nèi)徑為80 mm），常溫（25℃）下黏性系數(shù)為0.8937×103N·s/m2，流體密度為1×103kg/m3。將以上數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得出[5]：Re=544254。

在管流中，雷諾數(shù)Re小于2100 的流動(dòng)是層流，等于2100～4000時(shí)為過(guò)渡狀態(tài)，大于4000時(shí)是湍流[6]。冷卻水泵出口管道雷諾數(shù)Re為544 254，遠(yuǎn)大于4000，說(shuō)明流體湍流非常強(qiáng)烈。同時(shí)，彈簧位于閥門(mén)中心，正向受到流體沖擊作用，在流體擾動(dòng)作用下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，導(dǎo)致彈簧受到交變應(yīng)力的作用，引起彈簧發(fā)生疲勞斷裂。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，彈簧表面及閥瓣表面有明顯的磨損痕跡，說(shuō)明振動(dòng)導(dǎo)致彈簧交變應(yīng)力的同時(shí)也引起彈簧和閥瓣及閥軸之間產(chǎn)生磨損。

從逆止閥彈簧斷裂原因分析中得出對(duì)夾雙瓣碟式逆止閥無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，需要對(duì)逆止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過(guò)分析可將逆止閥結(jié)構(gòu)改為旋啟式逆止閥，如圖8所示，該逆止閥彈簧在內(nèi)孔一側(cè)，可防止水流對(duì)彈簧造成直接沖擊，避免因流體引發(fā)的振動(dòng)而導(dǎo)致彈簧斷裂[7]。

圖8 旋啟式逆止閥

2.4 處理措施

通過(guò)以上原因分析結(jié)果，可得出解決切換泵失敗的措施為：1）將泵出口逆止閥由對(duì)夾彈簧式改成旋啟式逆止閥；2）使3臺(tái)泵性能保持一致。將3臺(tái)泵出口逆止閥改為旋啟式后，未出現(xiàn)切換失敗情況，并且泵各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，驗(yàn)證了上述分析結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)某核電廠(chǎng)2號(hào)機(jī)組發(fā)生過(guò)多次定子冷卻水泵切換失敗的情況，針對(duì)該缺陷對(duì)該機(jī)組定子冷卻水泵歷史切換情況、系統(tǒng)管路布置、泵性能、出口逆止閥彈簧斷裂情況進(jìn)行了收集與分析，同時(shí)分析了逆止閥彈簧斷裂原因，通過(guò)以上分析明確了定子冷卻水泵切換失敗原因，總結(jié)如下。

1）主要原因。2、3號(hào)泵出口逆止閥彈簧斷裂，1號(hào)泵出口逆止閥彈簧完好，導(dǎo)致1號(hào)泵啟動(dòng)時(shí)無(wú)法克服逆止閥的彈簧力。

2）次要原因。1號(hào)泵葉輪直徑相對(duì)3號(hào)泵葉輪直徑偏小4 mm，1號(hào)泵性能弱于3號(hào)泵性能，導(dǎo)致1號(hào)泵相對(duì)出力不足，無(wú)法正常頂開(kāi)逆止閥。

逆止閥彈簧斷裂原因?yàn)椋汗艿纼?nèi)流體的雷諾數(shù)Re=544254（大于4000為湍流），流體湍流非常強(qiáng)烈，彈簧位于閥門(mén)中心，正向受到流體沖擊作用，在流體擾動(dòng)作用下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，導(dǎo)致彈簧受到交變應(yīng)力的作用，引起彈簧發(fā)生疲勞斷裂，將逆止閥結(jié)構(gòu)改為旋啟式逆止閥，可有效解決彈簧斷裂問(wèn)題。

將3臺(tái)泵出口逆止閥改為旋啟式后，未出現(xiàn)切換失敗情況，并且泵各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，驗(yàn)證了原因分析的正確性。該缺陷的原因分析及成功處理提高了核電機(jī)組運(yùn)行的可靠性，并為類(lèi)似一用多備泵切換失敗問(wèn)題研究提供了思路與方向。