核電廠泵出口止回閥卡澀根本原因分析及對策

李 錢

蘇州熱工研究院有限公司 廣東 深圳 518000

1 引言

2016年6 月29 日,某核電廠執(zhí)行A 列重要廠用水系統(tǒng)(SEC)從1SEC001PO切換到1SEC003PO 運(yùn)行時,發(fā)現(xiàn)1SEC001PO 出口止回閥1SEC005VE卡澀導(dǎo)致無法自動關(guān)閉,閥門只關(guān)到80%的開度,后續(xù)現(xiàn)場運(yùn)行人員手動關(guān)閉該止回閥。

SEC泵出口止回閥無法自動關(guān)閉,會使水倒灌進(jìn)SEC泵,可能導(dǎo)致SEC泵反轉(zhuǎn)損壞。電廠自調(diào)試以來,總計(jì)發(fā)生了10多起上述類似事件。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,電廠1/2號機(jī)組SEC泵出口止回閥均發(fā)生過卡澀現(xiàn)象,經(jīng)手動推動閥門拉桿,閥門可回座。

2 系統(tǒng)設(shè)備介紹

重要廠用水系統(tǒng)(SEC)的功能是把由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)收集的熱負(fù)荷輸送到最終熱阱—海水,為核安全相關(guān)系統(tǒng)。每臺機(jī)組中,SEC系統(tǒng)分為兩個相互獨(dú)立的系列(A系列和B系列)。兩個系列的設(shè)備和流程基本相同SEC系統(tǒng)的流程如圖1所示。系統(tǒng)的每個系列均由兩臺SEC泵并聯(lián)從海水過濾系統(tǒng)(CFI)吸入海水,經(jīng)SEC管道、水生物捕集器及兩臺并聯(lián)的RRI/SEC熱交換器,將冷卻RRI后的海水排入SEC集水坑,再由排水管將其排往水渠入海。

SEC止回閥為旋啟式防水錘止回閥。閥軸通過擺臂與閥板固定連接,連桿通過銷軸與阻尼油缸連接。阻尼油缸主要由油缸、單向調(diào)速閥通過管路連接在一起,構(gòu)成一個回路。通過單向調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)閥門的快開、快關(guān)、慢關(guān)。SEC泵出口止回閥屬于非能動閥門,關(guān)閉時靠介質(zhì)壓力和閥瓣重力關(guān)閉。其拉桿與阻尼油缸之間為銷軸連接,阻尼油缸與支座之間為耳軸連接,根據(jù)SEC泵出口止回閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),列舉了所有SEC止回閥卡澀的故障部位及故障模式,見圖1所示。

圖1 SEC止回閥卡澀的故障部位及故障模式

初步現(xiàn)場檢查,故障模式可能性如下：

1)銷軸卡澀;2)填料阻力過大。

2.1 銷軸卡澀

對SEC逆止閥安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查：

◆逆止閥銷軸防摩墊圈安裝方式和數(shù)量與圖紙不符;

◆閥門耦合套存在破損現(xiàn)象;

◆逆止閥銷軸在運(yùn)行后存在軸向竄動現(xiàn)象。

2.2 填料阻力過大 根據(jù)核電廠SEC止回閥完工報(bào)告,出廠時只開展過空載動作試驗(yàn),未開展SEC止回閥多次帶載動作試驗(yàn),同時無法評價(jià)長期運(yùn)行后磨損的填料對閥門關(guān)閉力矩的影響,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),EPDM 填料磨損后其摩擦系數(shù)會變大。

為此,根據(jù)RCCM 規(guī)范的計(jì)算公式和參考廠家原設(shè)計(jì)閥門尺寸,重新核算SEC止回閥摩擦力矩,詳細(xì)的計(jì)算過程如下：

1)閥門開啟力矩Mk必須滿足(不考慮流量推力影響)

Mk≥M0＋M1＋M2＋M3＋M4

式中

Mk—開啟力矩,N

M0—閥瓣密封組件重力矩,N

M1—閥桿與0形圈之間的摩擦力矩,N

M2—閥桿與填料之間的摩擦力矩,N

M3—軸承處摩擦力矩,N

M4—閥門拉桿重力矩,N

2)低壓差時,閥門關(guān)閉必須滿足

M0≥M1＋M2＋M3＋M4

3)閥門開啟力矩Mk計(jì)算

式中ΔPk—開啟壓差,根據(jù)單泵運(yùn)行參數(shù)開啟壓差取0.016MPa

L1—閥瓣旋轉(zhuǎn)力臂,416mm

D0—閥瓣密封線直徑,582mm

經(jīng)計(jì)算,Mk＝1771N

計(jì)算結(jié)果表明,止回閥開啟力矩Mk滿足設(shè)計(jì)要求。

4)閥瓣密封組件重力矩M0計(jì)算

M0＝G1·g·L1·cosθ＋G2·g·L2·cosθ

式中G1—閥瓣和螺母的重量,96.02(91.6＋4.42)Kg

L1—重力力臂,416mm

G2—搖臂重量,61.64Kg

L2—搖臂中心與閥軸中心距離,208mm

g—取9.8 N/kg

θ—旋轉(zhuǎn)角度,70°

經(jīng)計(jì)算,M0＝177 N

5)閥桿與0形圈之間的摩擦力矩M1計(jì)算

式中d0—O形圈內(nèi)徑,79mm

bm—O形圈直徑,3.5mm

Pk—SEC泵出口壓力,取0.3MPa

f1—O形圈與閥桿的摩擦系數(shù),0.3

4道0形圈的摩擦力矩經(jīng)計(jì)算,M1＝22.8 N

6)閥桿與填料之間的摩擦力矩M2計(jì)算

a)填料壓蓋螺栓相關(guān)參數(shù)

Ds：M20螺栓名義直徑,20mm;

Dw：M20螺母名義直徑,30mm;

n：壓蓋螺栓數(shù)量,2;

Cs：螺栓擰緊力矩,120 N?m。

b)填料函相關(guān)參數(shù)

Z：盤根數(shù)量,5;

h：單個盤根高度,7mm;

H：盤根總高度,35mm;

Di：盤根內(nèi)徑,80mm;

Do：盤根外徑,106mm;

式中pitch—螺柱螺距,2.5mm

f2—螺紋之間的摩擦系數(shù),0.15mm

f3—螺母與墊片之間的摩擦系數(shù),0.18mm

Rma—螺母平均支撐半徑,

c)螺栓螺紋摩擦半徑計(jì)算KI

r —螺紋中徑一半,0.18mm

經(jīng)計(jì)算,KI＝4.026mm

d)填料壓蓋螺栓軸向力Fv

Fv＝1000×Cs/KI

經(jīng)計(jì)算,Fv＝29805N

e)填料受壓壓力P1

P1＝n×Fv/A

經(jīng)計(jì)算,P1＝157 bar

f)填料底部受壓壓力P0

式中n1—填料側(cè)壓系數(shù),1.4

u1—填料平均摩擦系數(shù),0.3(0.2－0.4)

u—填料靜摩擦系數(shù),1.15u1,0.345mm

f—摩擦系數(shù),u/n1,0.246mm

經(jīng)計(jì)算,P0＝29.8 bar

g)盤根的軸向摩擦力F1

經(jīng)計(jì)算,F1＝18846 N

h)盤根摩擦力矩M2

經(jīng)計(jì)算,M2＝754 N

7)軸承處摩擦力矩M3計(jì)算

M3＝(G1＋G2＋G3＋G4)·g·fc·Dc/2

式中G3—閥軸重量,44.56Kg

G4—閥門拉桿重量,24.25Kg

Dc—軸承處閥軸直徑,80 mm

fc—軸承處摩擦系數(shù),0.15

經(jīng)計(jì)算,M3＝13.3 N

8)閥門拉桿重力矩M4計(jì)算

M4＝G4·g·L3

式中L3—拉桿重心與閥軸中心垂直距離,取163mm

經(jīng)計(jì)算,M4＝39.1 N

EDPM 填料壓蓋螺栓在摩擦系數(shù)分別為0.2和0.3,擰緊力矩分別為N和30 N的 計(jì) 算 結(jié) 果 表 明,EPDM 摩 擦 系 數(shù) 越 大,SEC止回閥閥桿填料處的摩擦力矩會逐漸變大。更換摩擦系數(shù)的填料后,比如聚四氟乙烯,壓蓋螺栓不同擰緊力矩下的摩擦力矩的計(jì)算結(jié)果表明,SEC止回閥閥桿填料處的摩擦力矩降至一定值才能小于閥瓣組件的重力矩。

由此可見,SEC止回閥設(shè)計(jì)計(jì)算考慮不足,導(dǎo)致閥門在低壓差時的關(guān)閉力矩不滿足要求。SEC止回閥快速關(guān)閉主要是通過回流介質(zhì)壓力產(chǎn)生的作用力。一旦閥門由于阻力造成關(guān)閉時間過長或者回流介質(zhì)大部分未經(jīng)過閥瓣背面,閥門會出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

3 分析結(jié)論

綜上,影響核電廠泵出口止回閥無法自動復(fù)位關(guān)閉的主要原因有：

1)止回閥設(shè)計(jì)計(jì)算考慮不足,導(dǎo)致閥門在低壓差時的關(guān)閉力矩不滿足要求;

2)逆止閥銷軸防摩墊圈安裝不規(guī)范,會造成閥門推桿銷軸部位產(chǎn)生過大阻力。

4 改進(jìn)對策

基于上述調(diào)查分析結(jié)果,提出如下改進(jìn)建議措施：

1)對止回閥閥軸伸出端的填料進(jìn)行換型,選擇摩擦系數(shù)小的填料,如聚四氟乙烯填料。同時在能夠滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,盡量減小止回閥填料壓蓋螺栓擰緊力矩,如30N,以增大閥門關(guān)閉力矩裕度(約50N);

2)對閥軸伸出端密封結(jié)構(gòu)更換成O形圈密封,取消填料壓蓋,會進(jìn)一步增大閥門關(guān)閉力矩裕度(約100N);

3)規(guī)范止回閥銷軸防摩墊圈安裝,消除閥門推桿產(chǎn)生過大阻力的部位。