核电站凝泵再循环旁路阀阀杆断裂问题分析与改进

方深深，王保田

(三门核电有限公司，浙江 三门　317112)

核电站凝泵再循环旁路阀阀杆断裂问题分析与改进

方深深，王保田

(三门核电有限公司，浙江 三门317112)

摘要：在某核电站1号机组调试期间，凝结水再循环调节阀手动旁路阀(以下简称凝泵再循环旁路阀)阀杆断裂，导致凝结水泵长时间憋泵运行。从阀门设计、阀门制造、调试方案以及调试执行等4个方面对阀杆断裂的原因进行分析，并提出了后续改进意见。对同类机组的阀门设计制造、调试运行有借鉴和参考意义。

关键词：凝泵再循环；旁路阀；阀杆断裂；有限元分析软件

某核电站凝结水系统主要包括3台凝汽器、3台50%容量的凝结水泵(以下简称凝泵)、1台轴封蒸汽冷凝器、2台50%容量的凝结水精处理升压泵、四级低压给水加热器、调节阀和相关的系统仪表等。凝泵再循环管线起于1号低压给水加热器前，回到凝汽器，其上设有凝泵再循环调节阀(CDS-V122)、前后隔离阀、凝泵再循环旁路阀(CDS-V124)以及降压孔板。凝泵再循环管道的设计流量为950m3/h，单台凝结水泵的最小流量为250m3/h。

该核电站1号机组二回路冲洗采用开式冲洗和冷热循环冲洗的冲洗方式。为了满足冲洗要求，在凝泵出口将轴封蒸汽冷凝器临时旁路，通过临时管道阀门连接至给水系统和加热器抽汽疏水系统止回阀特殊工装(JIG)，对给水系统和加热器抽汽疏水系统管道进行冲洗。

凝泵再循环调节阀阀笼为多孔阀笼结构，有降噪减振功能。在二回路冲洗初期，为防止杂质堵塞阀笼，先不投用凝泵再循环调节阀，将其前后隔离阀关闭，通过凝泵再循环旁路阀调节凝泵再循环流量。同时，为防止再循环管线上的降压孔板被杂质堵塞，在冲洗初期用临时短管代替。二回路冲洗期间的凝泵再循环流程简图见图1。

图1　凝泵再循环流程简图

凝泵再循环旁路阀主要在系统冲洗初期水质较差或凝泵再循环调节阀不可用时使用。根据采购技术规范书设计工况的要求，该阀门为真空针形阀，带有流量调节功能，分CPS(凝结水精处理系统的缩写)停运和CPS投运两种工况(见表1)，其中CPS投运工况下，凝泵再循环流量为950m3/h时，该阀门需承担2.97MPa的差压。

在二回路冲洗初期，当凝泵仅通过再循环管线正常运行时，凝泵流量为950m3/h，出口压力为2.90MPa，凝汽器在大气压下，凝泵再循环旁路阀承担的压差为2.90MPa。因此阀门运行工况接近于CPS投运时的设计工况，所承受的最大差压、运行压力、运行温度、流量均在设计要求范围内。

表1　凝泵再循环旁路阀设计工况

1事件经过

凝泵再循环旁路阀阀杆断裂发生前，在维持该阀门10%开度的凝泵运行时，多次发生因阀门振动高造成阀杆密封泄漏事件。遂将该阀门解体检查，检查结果没有发现阀杆阀芯连接部位有异常。对该阀门的填料进行更换后回装，继续进行冲洗工作。

在凝泵再循环旁路阀阀杆断裂发生时，经调取主控监控数据，发现凝泵出口压力、电流、振动等参数出现阶跃变化，如表2所示。该阀门填料处存在一定的泄漏，节流噪音远小于往常，再循环管道振动明显减小。由于值班人员未能确认问题所在，在调试人员赶到现场确认后才停运凝泵，此时凝泵已憋泵运行1h。在凝泵停运后，凝泵出口母管压力下降仍非常缓慢，约1h后压力降至常压。通常凝泵停后，凝泵出口母管压力应立即下降。测量发现凝泵泵体温度为88℃，出口管道温度为92℃，超过了设计温度80℃。

表2　阀杆断裂前后凝泵参数变化

2原因分析

凝泵再循环旁路阀阀杆断裂,导致了凝泵憋泵超设计温度运行1h，在调试阶段就对凝泵进行了解体检查，同时该阀门返厂改造也延误了二回路冲洗工作，对设备安全以及调试进度有很大影响。因此有必要对该阀门阀杆断裂的原因进行详细分析并进行相应的改进。

2.1阀门设计问题

通过与该核电站的参考电站同位置阀门对比，凝泵再循环旁路阀在设计结构方面有如下不合理的地方，如图2所示。

图2　凝泵再循环旁路阀结构对比(左为某核电站，右为某核电站的参考电站)

(1)当凝泵在再循环工况运行时，泵出口压力约2.90MPa，凝汽器内部为大气压，再循环旁路阀前后压差接近阀门CPS投用时的工况。根据阀门厂家提供的再循环旁路阀流量特性曲线，见图3，此时再循环旁路阀开度应为46%左右。但实际运行时再循环旁路阀开度到10%，凝泵流量即达到950m3/h。同时该阀门阀座口径大，通流面积较大；阀芯球头表面自密封面向下向内凹陷，不连续；导致阀门的调节性能不好。阀门流量曲线实际偏差大和调节性差是阀杆断裂设计方面的主要原因。

图3　再循环旁路阀流量曲线

(2)阀门原设计为高进低出，考虑在阀门关闭时能保证阀座密封性能。但实际在阀门半开时，流体直接冲击阀芯上部，是造成阀芯振动的重要原因。在阀杆断裂时，阀芯在重力作用下脱落，同时在泵出口压力下，直接堵死流道。

(3)凝泵再循环旁路阀原设计有阀杆导向，但阀杆导向离阀芯较远，对阀芯振动起不到抑制作用。阀芯无导向支撑固定，且阀芯压盖与阀杆间隙较大，使得阀芯能沿阀杆轴向和径向自由运动。阀芯较重，重量达到31kg，在遭受流体冲刷时，对阀杆连接部位的冲击惯性较大。在遭受相同的冲击时，会产生更大的振动，导致阀芯振动。

2.2阀门制造问题

为分析阀杆断裂的根本原因，对断裂的阀杆进行外观和金相检查。通过外观检查可判断，断裂起源于阀杆凹槽下端面直角根部，在阀杆变径上下端面未断部位存在两条环向裂纹(见图4)。

图4　阀杆断裂部位外观

通过阀杆的成分分析、力学性能分析、微观组织分析等，判断阀杆在制造方面存在如下问题。

(1)阀杆与阀芯连接部分有凹槽，该处凹槽是应力集中部位，也是本次阀杆断裂的位置。该凹槽是为阀杆加工方便，而在阀杆的变径处留的退刀槽。而且该凹槽为直角过渡，在阀杆受拉应力时，承受了较大应力集中效应，造成阀杆断裂。通常过渡圆弧半径越大，应力集中效应改善越明显，如果采用直角过渡或过渡圆弧较小，则容易发生应力集中造成阀杆断裂。山东邹县发电厂高压调节汽门阀杆断裂[1]、某电厂电动截止阀阀杆断裂等均是阀杆变径处直角过渡产生应力集中效应导致阀杆断裂[2]，由此可见阀杆直角过渡必须避免。

(2)阀杆冲击性能分析发现阀杆材料的冲击功为57J，低于《GB1220-2007不锈钢钢棒》标准下限值63J，阀杆韧性较差，不满足标准要求，通过阀杆金相分析发现阀杆材料晶粒度达到2.0～3.0级[3]。通常理想的马氏体不锈钢原奥氏体晶粒度为6.0～8.0级，晶粒粗大表明阀杆在调质处理过程中淬火温度偏高，组织发生过热。

2.3调试方案问题

凝泵再循环旁路运行时间过长，也是导致该阀门阀杆断裂的间接原因之一。凝泵再循环管线，在电厂正常运行时不投用，一般仅在机组启停阶段投运，而使用再循环调节阀的旁路阀的工况更少。在调试阶段，由于冲洗前期水质较脏，为防止凝泵再循环调节阀阀笼堵塞，需使用旁路阀。在旁路阀发生阀杆断裂前，凝泵已通过凝泵再循环旁路阀运行较长时间，其中一部分是二回路冲洗期间为了保证凝泵最小流量，在冲洗其他管道时持续投运再循环管线；另一部分是为避免频繁启停凝泵，将凝泵切换至再循环管线运行过夜。长时间在高振动的恶劣工况下运行间接促使凝泵再循环旁路阀阀杆断裂。

2.4调试执行问题

在凝泵运行期间监盘时，由于凝结水流量孔板在冲洗初期尚未恢复，无法监测流量参数，只能以凝泵出口压力和凝泵运行电流对应凝泵性能曲线上的流量作为参考。间接的参数对凝泵实际流量的及时判断有一定影响。

另一方面，临时监盘指令中的阈值参数设置，要求凝泵出口压力在正常运行额定压力2.4MPa和最大出口压力3.3MPa之间，凝泵电流要求小于130A。这个设定过于宽泛，没有考虑到凝泵憋泵运行情况。以上问题使得监测参数出现异常后到凝泵停运，主控用了较长时间判断。

3改进方案

3.1阀门设计选型改进

根据参考电站对应的阀门型式，对某核电站凝泵再循环旁路阀进行改造，满足阀门在高压差、大流量、高振动工况下的调节和抗振性能的要求。

(1)将阀座通径由250mm缩小至110mm，优化阀芯外形轮廓，提高阀门调节性能，减小阀芯振动；阀芯重量由31kg降至11kg，较好地减轻了振动工况下阀芯对阀杆的冲击力；利用有限元分析软件重新计算流量曲线，在前后差压3MPa、流量950m3/h工况下，改造后阀门开度理论计算为26%，开度增加一定程度上也能减缓阀芯阀杆振动。改进后的阀门结构见图5。

图5　改进后阀门结构图

(2)阀门流量由高进低出修改为低进高出。低进高出设计能保证阀芯脱落时也能在凝泵出口压力下顶起，避免堵塞流道。

(3)增加阀芯导向支撑，进一步减小阀芯振动对阀杆的影响。阀门导向支撑用于阀芯和阀座的对中配合，通常会有阀杆导向、阀芯导向以及阀座导向等[4]。考虑到该阀门阀芯有一定的自由度，因此增加阀芯导向支撑有较好的抗振性能。

3.2阀门制造工艺改进

现有工艺已能满足加工没有退刀槽的阀杆，所以应取消阀杆退刀槽。但阀杆头部仍存在变径，在变径处应采取较大的R3圆弧过渡，改善应力集中效应，如图6所示。

图6　改进后阀杆头部采用R3圆弧过渡

加强对阀门制造厂的质量控制，确保阀门部件材质与技术协议要求一致；严格控制热处理工艺，细化晶粒，提高阀杆材料冲击韧性；阀杆材料除拉伸试验检测外，增加冲击试验检测，确保阀杆原材料的韧性符合标准要求。

3.3调试方案改进

二回路冲洗期间，应尽早投用凝泵再循环调节阀，并尽早恢复凝泵再循环降压孔板以及凝结水流量孔板临措，尽可能减少凝泵再循环运行工况。

在二回路冲洗第1阶段冷水冲洗水质浊度已达到5ppm，杂质基本被滤网过滤，后续调节阀阀笼和孔板堵塞的可能性较小。因此，在第1阶段冷水冲洗完后，应恢复凝泵再循环节流孔板和凝结水流量孔板。在第2阶段热水冲洗时即投用凝泵再循环调节阀和凝结水流量变送器，使系统能自动调节凝结水流量，同时主控能监控到凝结水流量参数。

在二回路冲洗初期仍需使用再循环旁路阀时，应减少此阶段凝泵再循环运行工况。在冲洗其他回路时，避免再循环管线长时间投运。如无持续运行需要，在当天即停运凝泵不过夜。切换成调节阀控制凝泵再循环流量后，由于再循环调节阀附近管道仍存在较大振动，因此仍须减少凝泵再循环管线投运时间。

3.4调试执行改进

在临时监盘指令中根据设备实际运行参数设置阈值。例如：将凝泵出口压力限制为2.60～2.90MPa，将凝泵运行电流限制为92～120A等。对于其他运行参数，也根据实际运行记录参数作相应限制，缩小阈值范围，使主控能更快发现系统非正常参数。

在临时监盘指令中明确参数阶跃变化限值以及需采取的行动，如将凝泵电流阶跃变化限制在±2A等，使主控在发现参数阶跃变化时，能按照临时监盘指令明确执行。

参考文献：

[1]李翔苓，林西奎，等. 国产300MW机组高压调节汽门阀杆断裂事故分析[J]. 中国电力， 2002(35):21-24.

LIXiang-ling,LINXi-kui,etal.Analysisofcrackfailureofhighpressurecontrolvalvestemontheindigenous300MWsteamturbine[J]．ElectricPower，2002(35)：21-24．

[2]崔丽，崔强，杜世先. 电动截止阀阀杆断裂原因分析[J]. 锅炉制造， 2001(4):54-56.

CUILi,CUIQiang,DUShi-xian.Reasonanalysisaboutthevalve-stemfailureofamotor-operatedstop-valve[J].BoilerManufacturing,2001(4):54-56.

[3]曹志强. 控制阀细节分析之阀门导向[J]. 科技咨询，2010(13):125.

(本文编辑：严加)

Analysis and Improvement of Condensate Pump Recirculation Bypass Valve Stem Break Issue in a Nuclear Power Plant

FANG Shen-shen, WANG Bao-tian

(SanmenNuclearPowerCompany,Sanmen317112,China)

Abstract:During the commissioning of No.1 generating unit in a nuclear power plant (NPP) , condensate recirculation flow control valve manual bypass valve stem breaks, which causes condensate pump running without flow for a long time. This paper analyzes causes of valve stem break from several perspectives, such as valve design, valve manufacture, commissioning program and commissioning execution etc., and proposes improvement suggestions. This research is of high reference value for similar unit for valve design and manufacture, commissioning and operation.

Key words:condensate pump recirculation; bypass valve; valve stem break；finite element analysis software

DOI：10.11973/dlyny201603024

作者简介：方深深(1987)，男，助理工程师，从事核电厂调试技术工作。

中图分类号：TK263

文献标志码：B

文章编号：2095-1256(2016)03-0363-04

收稿日期：2016-02-29