某核电站设备冷却水系统气动阀卡涩原因分析

(中广核工程有限公司,福建 宁德 355200)

在CPR1000型核电机组中，设备冷却水系统(RRI)作用是为下游各用户提供冷却水，其中最大的用户是安全壳喷淋系统(简称EAS)的热交换器。EAS系统的主要作用是机组在LOCA事故(一回路丧失冷却水)情况下将安全壳的压力、温度以及放射性降低到可接受水平。EAS共有两台热交换器，编号为EAS001/002RF，RRI系统为EAS热交换器供水的管道上设置有一个气动隔离阀，编号为RRI035/036VN。这两个阀门在RRI系统正常运行工况下保持关闭，当收到安全壳喷淋信号后立即开启，为EAS热交换器提供冷却水，保证EAS系统的正常运行[1]。

某核电站1号机组的RRI035/036VN在调试阶段发现，阀门在收到安喷信号后出现卡涩现象，无法开启，影响事故工况下安全壳的喷淋，对机组安全产生危害，必须立即处理。

1 问题描述

RRI系统分为A、B两列，正常工况下一列运行，一列处于备用状态，当发生LOCA事故时，备用列1台泵自动启动，RRI035/036VN自动开启，备用列(以A列为例)下游用户为RRI系统电机(RRI001/003MO)，EAS电机(EAS001MO)，安全注入系统电机(RIS001MO)，电气厂房冷冻水系统凝气器(DEL001CS)，上充泵房应急通风系统热交换器(DVH001RF)，相关用户流量见表1，RRI系统流程图见图1。

表1 RRI下游用户流量表Table 1 The flowrate of RRI downstream users

由表1可知：当备用泵刚启动时，流量很小，只有266.8 m3/h，只有当RRI035VN全部开启后，流量才会达到正常流量2 186.8 m3/h，RRI系统泵为离心泵，对于离心泵，流量越小，压头越大，作用在阀门密封面上的压力越大，阀门开启越困难，所以，在启泵瞬间，管线上阀门最难开启，某核电站RRI035VN在执行备用列自动启动试验时发现阀门卡涩，无法开启，导致试验失败。

2 原因分析及故障处理

图1 RRI系统流程图Fig.1 RRI system flow diagrams

RRI035VN为气动蝶阀，阀门相关参数见表2[2]。

表2 阀门参数表Table 2 Valve parameters

阀门为失气开类型，即当气缸进气后，压缩空气作用在活塞上，活塞压缩弹簧，使阀门关闭，失气后，弹簧复位，推动活塞使阀门开启。气动阀卡涩一般是下面两个原因[3]：

1)气动装置输出扭矩不够;

2)阀门开关所需扭矩较大。

下面分别从这两方面加以分析并处理。

2.1 气动装置输出扭矩不够

气动头输出扭矩不够，则阀门开启动力不足，无法带动阀门动作，所以，可考虑通过增大输出扭矩的方式解决问题，在不改变阀门本体的情况下，增大输出力矩，优化阀门性能的方法有两点：

1)更换更好的电磁阀;

2)调整气源管线。

电磁阀控制气动阀的进气和排气，是气动阀的重要组成部分，其性能优异对阀门影响较大，RRI035/036VN发生卡涩时，首先决定更换新的电磁阀，新旧电磁阀参数如表3所示。

表3 电磁阀参数表

由表3可知，新电磁阀主要在功率和流量系数上进行了优化，减小功率可以使电磁阀不易发热，稳定性更好，减小流量系数，可以减小进气量和进气速度，这样，气缸失气时排气时间更短，有利于阀门开启。

对气源管的优化主要是两点，一是在电磁阀和气缸之间增加了一个单向阀，把气缸失气时本应该通过电磁阀排往大气的压缩空气，输送到气缸里弹簧侧，帮助弹簧推动活塞开启阀门；二是将减压过滤器上的排气孔，由原来的2 mm扩大到2.6 mm，增大排气速度，使阀门在失气时反应更加迅速，减小弹簧的阻力。新型电磁阀及气源管线见图2所示。

图2 新型电磁阀与气源管线图Fig.2 New type of solenoid valve and gas source pipeline

2.2 阀门关闭所需扭矩较大

只有当气缸输出扭矩大于阀门动作所需扭矩时，阀门才能动作，所以阀门动作扭矩大容易引起卡涩。导致阀门扭矩较大的原因是阀门关闭过死，蝶阀是通过碟板与橡胶阀座的过盈来实现密封的，过盈量越大，则阀门关闭的越严，开启时就会越困难，再加上此阀门是长闭阀门，只有在事故工况下才会开启，长期关闭情况下，碟板因为单侧受压，会逐渐的陷进阀座橡胶里面，碟板与橡胶之间形成一定的结合力，增加开启难度。减小过盈量的方法有两个：一是调整关限位，二是增大端盖的厚度。调整限位比较容易，在气缸上重新选择限位开关位置即可，但要注意的是必须在厂家指导下进行，否则可能导致关闭不严；调整端盖厚度需要部分解体气缸。气缸内的阀杆在压缩空气和弹簧的作用力下做直线运动，阀杆通过转动机构带动阀瓣做90°的角运动，阀杆在阀门全关时紧紧地顶在端盖上，因此增加顶盖的厚度，可以减小阀杆关闭时的行程，进而减小阀瓣压缩阀座的深度，减小结合力。

端盖位于阀门端部，是一端开口、另一端封堵的圆柱体，外直径80 mm、内径55 mm，通过外螺纹旋进阀门端部，阀杆从开口处进入，全关时顶在封堵处，阀门结构简图见图3，端盖图见图4，图5。

图3 阀门结构简图Fig.3 The structure of the valve

图4 端盖正面Fig.4 The front viewof the end cover

图5 端盖侧面Fig.5 The side viewof the end cover

增大端盖厚度的方法是在端盖内堆焊，通过堆焊，大约使端盖增加了10 mm，阀瓣全关时减少3°。

通过以上方式的改进，阀门卡涩问题在一段时间内得到了解决，但是阀门在维持关闭状态时间较久后，仍会出现开启困难，需要进一步处理。

2.3 气缸换型

考虑到对当前的阀门改造已经达到极限，下一步决定对气缸进行改造，以便大幅增加气缸输出扭矩，减小阀门开关扭矩，阀座及电磁阀型号VALCOR不变，气缸结构和材料不变，改进的主要是以下四点[4]：

(1)减小碟板与阀座之间密封过盈量

前面介绍了通过增厚端盖的形式减小过盈度，属于间接方式，本次改造通过减小碟板外径使碟版与阀座之间过盈量减小了0.4 mm，效果更明显，新旧气缸参数见表4。

表4 新旧阀门参数表

新阀门在出厂前进行了扭矩测试，厂家测试结果显示，过盈量减小后，阀门开启所需扭矩减少1000 N·m以上，数据见表5。

表5 厂家试验数据表

(2)上下阀轴之间增加拉杆

原阀门没有设计拉杆，导致阀门在开关过程中，上下阀轴受力不均，产生偏移，增加拉杆后，减小了系统压力对阀轴的影响，增加上下阀轴同轴度，使阀门在开启过程中更加平顺。新旧阀轴见图6、图7。

图6 旧阀轴Fig.6 Old valve shaft

图7 新阀轴Fig.7 New valve shaft

新气缸上阀轴与碟板之间采用方榫连接，上阀轴与连杆采用螺纹连接，下阀轴与碟板处设计了止动小球，起到定位防转的功能，拉杆下端设置止动线圈和锁紧螺母，防止拉杆螺纹脱落，同时，拉杆下方还设置了减摩调整垫，限制拉杆轴向位移。

(3)增大气缸尺寸

为提高气动头的输出力矩，将气缸直径由350 mm增加到450 mm，长度由2 265 mm增加到2 380 mm，同时改用更大更强的弹簧，开启输出力矩增加明显，厂家试验结果对比见表6。

表6 新旧气缸输出力矩表

(4)减小橡胶的密封结合力

通过改造橡胶阀座结构，将密封带宽度由25 mm较小到15 mm，进而减小因橡胶变形产生的密封结合力，见图8。

图8 橡胶阀座示意图Fig.8 Rubber seat sketch map

通过以上改造，气缸进气量由270 L增加到450 L，输出力矩由4 160～7 036 N·m增加到7 000～11 912 N·m。出厂前，厂家对新气缸做了一系列试验，结果满意，试验数据见表7。

表7 新气缸出厂试验数据表

3 现场试验验证

新气缸安装到现场后，立即进行备用列自动启动试验，试验按照要求配置好用户，模拟安全壳喷淋信号，备用泵RRI001/003PO自动启动，RRI035/036VN自动开启，试验结果见表8[5]，结果满意。(备注：试验过程中，如果RRI035/036VN在120 s没有开启，则必须立刻停泵，防止泵小流量运行过久)

截至目前，新阀门已经在现场使用超过两年，没有再发生卡涩现象，此问题得到彻底解决。

表8 现场试验数据

4 结 论

设备冷却水系统气动隔离阀发生卡涩现象，无法在启泵瞬间自动开启，影响机组安全，在对原阀门进行多次改进后仍无法得到满意效果。最终经过分析验证，得出卡涩的根本原因是原气缸输出扭矩较小，而阀座与碟板之间密封过于严密，导致原气缸无法带动阀门动作，随后重新设计新气缸，新气缸在橡胶阀座、阀轴、气缸尺寸等方面加以改进，使得气动头输出扭矩大大提高，满足了现场阀门开启的扭矩要求，有效的解决了阀门卡涩问题，避免了LOCA事故下安全壳超温、超压的风险，并为后续气动阀卡涩问题处理提供了宝贵的经验。