核電廠ECC高壓注射氣體隔離閥開啟時間持續增加問題分析及處理

朱凱亮，周靄琳，朱元生，賈成凱，李偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

1 概況

應急堆芯冷卻（ECC）系統是重水堆的一個專設安全系統，其注射回路包括4個部分：高壓注射部分、中壓注射部分、低壓再循環部分、公共注射回路部分[1]。當主熱傳輸系統出現破口導致堆芯冷卻劑減少時，高壓回路通過打開高壓注射氣體隔離閥，4.3 MPa的高壓氣體將高壓水箱中的水迅速加壓，當主熱傳輸系統中的壓力降低到4.3 MPa以下時，高壓水箱中的水被壓入主系統以冷卻燃料，保證堆芯內熱量的有效導出以防止堆芯及主系統管道的損壞[2]，高壓注射回路流程圖如圖1所示。

圖1 高壓注射回路流程圖

1.1 ECC高壓注射氣體隔離閥簡介

ECC高壓注射氣體隔離閥是8 in/CL600級的核3級帶手動裝置氣動鍛造不銹鋼三段式球閥，失效開，設計溫度為66 ℃，設計壓力為6.21 MPa，介質為空氣，結構如圖2所示。上部為氣動執行機構，中間通過軛架與閥體相連，氣缸桿與閥桿通過四方插口連接傳遞驅動力矩[3]。閥體和閥球為不銹鋼材質；閥座材質為聚甲醛工程塑料；填料及推力軸承材質為超高分子量聚乙烯。

圖2 閥門結構圖

1.2 ECC高壓注射氣體隔離閥功能

高壓氣箱與高壓水箱之間通過兩個并聯安裝的氣動球閥隔離，正常運行情況下，高壓回路處于熱備用狀態，ECC高壓注射氣體隔離閥處于關閉狀態。當失去一回路冷卻劑事故邏輯觸發時，ECC高壓注射氣體隔離閥在10 s內自動打開，高壓水箱中的水被高壓氣體迅速加壓，被壓入主系統以冷卻燃料[4]。

1.3 閥門開啟時間持續緩慢增加問題描述

2017 年12月執行ECC系統奇回路控制邏輯試驗時，高壓注射氣體隔離閥開啟時間為9.95 s，驗收準則要求開啟時間小于10 s，最近3個月閥門開啟時間為9.80、9.95、9.18 s。

如果設備持續降級，閥門開啟時間超過10 s，按照技術規格書要求，未在規定時間內處理機組需停堆停機。閥門上一次解體為2010年2月，已近8 a。

2 可能原因及判斷準則

2.1 閥芯閥座摩擦阻力增加

閥芯與閥座潤滑不良或閥芯閥座磨損，均會導致閥門開啟時阻力增大，使閥門開啟時間偏長。試驗前閥前高壓氣箱壓力為4.3 MPa，閥后高壓水箱壓力為215 kPa左右，閥門動作時，閥后壓力短時間內上升至4.1 MPa左右，瞬間壓降變化，產生高速氣流，在閥芯轉動過程中，高速氣流吹過閥芯閥座，會造成一定的潤滑脂損耗。閥門最近一次解體時間為2010年，已接近維修周期8 a，其內部存在潤滑能不良的可能。檢查潤滑脂廠家手冊及產品包裝上無使用年限說明，可在大修時解體檢查潤滑情況。

當前閥座已使用16 a，存在損傷可能。高壓氣箱內壁為碳鋼材質，存在銹蝕物，試驗時存在銹蝕物留在密封面的可能，造成閥門關閉期間閥座受損。閥芯閥座受損后隨著運行時長增加，摩擦力逐漸增大，與閥門近幾年開啟時間逐漸增大趨勢吻合。

針對以上兩點，結合閥門設計最大開啟力矩為632.7 N·m，后續可在閥門解體前進行力矩測量，檢查摩擦阻力是否存在異常，在解體時檢查閥芯閥座。

2.2 氣動執行機構部分

1）氣動執行機構潤滑不良。氣動執行機構內部密封件潤滑不良，會使氣動執行機構摩擦阻力增大，導致閥門開啟時間偏長。該氣動執行機構使用核級硅脂潤滑劑33M潤滑，于2011年進行過預防性解體，其動作頻率低，僅在每月強制性試驗時全行程動作一次，環境溫度變化保持在20～40 ℃的室溫下，工作環境較好，出現降級情況可能性較小?？山怏w檢查氣動執行機構內部密封件、缸體、各傳動部件潤滑劑是否干涸，缸壁有無磨損。

2）氣動執行機構彈簧性能下降。長期處于壓縮狀態彈簧彈性系數可能會變小，彈簧回彈力不足，導致閥門開啟時間變長。根據彈簧特性及以往解體檢修經驗，暫未發現彈簧性能下降現象。大修解體后，可對現役執行機構彈簧及新彈簧進行檢測，比對彈性系數K值檢查有無降級。

3）彈簧室呼吸孔通流不暢。彈簧室呼吸孔有異物等，會導致氣動執行機構動作期間呼吸孔通排氣不暢，彈簧室起蓄能作用，減慢氣動執行機構動作速度，增長動作時間。檢查疏通彈簧室呼吸孔，無堵塞現象，排除該因素。

2.3 供排氣回路部分

1）減壓閥設定值高漂。減壓閥設定值高漂，工作氣壓升高，氣動執行機構內氣量增大，排氣口一定的情況下，導致排氣量增大、排氣時間長，閥門開啟時間變長。后續可在氣動執行機構更換或閥門解體時檢查標定。

2）排氣回路排氣速率低。閥門開啟過程中，氣動執行機構內氣體通過快排閥及電磁閥排出，如果排氣不暢，排出速度慢，導致閥門開啟時間變長。

氣動執行機構快排閥和電磁閥管線及接頭對氣缸排氣具有一定的節流作用，經試驗，拆除管線及接頭使其直接對空會加快排氣速度，拆除快排閥管線及接頭可使開啟時間有0.4 s左右提升，拆除電磁閥管線及接頭可使開啟時間有0.1 s左右提升（如圖3、圖4）。拆除管線及接頭對閥門開啟時間的縮短有正向作用，但其配置和影響是恒定的，不會隨時間變化而緩慢增長，不是造成閥門開啟時間持續緩慢增長的根本原因。拆除后，試驗測得閥門開啟時間為9.13 s，比此前的9.95 s有明顯改善。

圖3 快排閥管線及接頭

圖4 電磁閥管線及接頭

2.4 環境溫度影響

圖5為自2010年閥門解體后至閥門開啟時間接近驗收準則期間的試驗情況，閥門開啟時間呈一定規律變化，動作時間均值呈每年上升趨勢，每年隨氣溫的降低在12月—2月期間出現高點峰值且峰值每年遞增，與1#機組曲線相似，說明氣溫對于閥門開啟時間有一定影響，目前房間溫度維持在20 ℃左右。溫度變化會對閥門開啟時間有一定影響，但與閥門開啟時間逐年增長沒有關系，是一促成因素。安裝閥體加熱裝置并在試驗前將閥體加熱至28 ℃左右（如圖6），試驗閥門開啟時間為8.5 s，有一定縮短。

圖5 閥門動作試驗開啟時間

圖6 閥體加熱裝置

2.5 小結

氣動執行機構快排閥和電磁閥管線及接頭、閥體溫度會對閥門開啟時間產生影響，但其影響是一定的，不隨時間變化而緩慢增長，不是造成閥門開啟時間增長的根本原因，但可以根據其影響對閥門開啟時間進行干預。

綜上所述，可根據以下判斷準則進行可能原因判斷：

1）針對閥芯閥座潤滑不良、磨損等對閥門本體阻力的影響，檢測閥門開啟力矩是否符合設計要求；

2）針對閥芯與閥座潤滑不良，解體閥門后目視檢查閥芯閥座表面潤滑劑是否干涸、變質；

3）針對閥芯閥座表面情況，目視檢查閥座有無劃痕、變形等缺陷，檢查閥球表面有無劃痕、磨損；

4）針對減壓閥設定值高漂問題，使用標準表檢查氣路實際壓力是否符合要求；

5）針對氣動執行機構彈簧性能下降等對氣動執行機構阻力的影響，檢查現役氣動執行機構彈簧彈性系數K值，并與新彈簧備件K值進行比較判斷是否降級；

6）針對氣動執行機構內部密封件潤滑不良摩擦阻力增大，解體檢查氣動執行機構內部密封件、缸體、各傳動部件潤滑劑是否干涸，缸壁是否磨損。

3 機組運行期間閥門的處理方案

3.1 閥門開啟時間不超過10 s

如果閥門開啟時間在9.8～10 s之間，則縮短試驗周期，由1個月改為半個月。

3.2 閥門開啟時間超過10 s

如果閥門開啟時間超過10 s，則按照如下順序執行。

溫度對碳納米管纖維/環氧樹脂界面剪切強度的影響······························馬奇利 張翠霞 王 晗 蔣 瑾 呂衛幫 (6,961)

1）更換氣動執行機構。具備氣動執行機構可用備件1個。

2）檢查減壓閥設定值。檢查減壓閥設定值是否滿足要求。

3）安裝投用閥體加熱裝置。綜合歷年閥門試驗數據，環境溫度降低會增加潤滑脂黏度、導致閥門開啟阻力增加，導致冬季開閥時間有所增長。但通過廠房加熱系統控制廠房最低溫度在20 ℃，歷年溫度無明顯變化，不會造成閥門開啟時間持續增長。提升閥體溫度可以提升開閥速度。

4）聯系運行再次執行閥門動作試驗。如果閥門開啟時間在9.8～10 s之間，則縮短試驗周期，由1個月改為半個月；如果閥門開啟時間仍超過10 s，則解體閥門，機組按照技術規格書要求置于相應模式。

4 機組大修期間閥門的處理方案

4.1 閥門本體部分

1）檢測閥門開啟力矩。閥體拆前無壓力情況下，測試閥門開啟力矩值為120 N·m，小于最大開啟力矩632.7 N·m；在閥門前后存在壓差的情況下，測試閥門開啟力矩值為1500 N·m，小于氣動執行機構開啟力矩1861 N·m。

2）檢查閥芯閥座表面情況。閥球、閥座表面有輕微劃傷，使用金相砂紙進行打磨。

3）檢查閥芯閥座表面潤滑劑情況。進出口閥座潤滑脂基本消耗殆盡，表面無潤滑脂殘留。

4.2 氣動執行機構及儀控附件部分

1）氣動執行機構密封件潤滑情況檢查。氣動執行機構內壁潤滑良好，氣缸內壁無磨損現象。

2）氣動執行機構彈簧K值檢測。氣動執行機構內彈簧K值同新彈簧備件K值接近，彈簧性能無明顯降級。

3）氣動執行機構減壓閥標定。儀控專業標定氣動執行機構減壓閥，確認減壓閥壓力設定值滿足要求。

4.3 解體后閥門動作試驗情況

檢修后閥門開啟時長為4.61 s，比修前有明顯下降。目前距上次閥門檢修已4.5 a，閥門開啟時長為6.36 s。

5 原因總結及改進措施

5.1 原因總結

綜上所述，得出閥門開啟時間持續緩慢增加的直接原因是閥門開啟時閥芯閥座間的摩擦阻力增大；根本原因是閥座潤滑脂缺失，導致閥芯閥座潤滑不良；促成原因是閥門前后壓差較大，管線設計布置導致閥門開啟時潤滑脂易受風噪吹損。

5.2 改進措施

從表1發現，兩臺機組閥門PV82對運行時間不敏感，閥門PV81由于管道布置原因，前后由彎頭連接，氣流通過順暢、流阻低；而閥門PV82前后均由直管上三通連接，氣流混亂、流阻高，所以閥門PV81的潤滑脂所受風燥吹損強于閥門PV82，管線布置如圖7所示。

表1 閥門服役時長及最大開啟時長

圖7 閥門管線布置

如閥門安裝時潤滑良好，從投運到潤滑脂完全耗盡可達16 a；如閥門安裝時潤滑不足，不到8 a潤滑脂便消耗殆盡，導致閥門開啟時間接近10 s。

結合兩臺機組閥門PV81的修前情況，認為即使在潤滑脂完全喪失的情況下，閥門開啟時間也只會接近而不超過10 s，同時可通過減少排氣阻力的方式將開閥時間降低約0.5 s?；谝陨蠑祿头治?，將閥門由預防性維修改為預測性維修，即當閥門開啟時間連續2個月超過9 s時，在下個大修窗口解體閥門。

6 結語

本文通過對高壓注射氣體隔離閥開啟時間持續增加問題進行分析，找出了檢修方式及預維策略的不足。結合原因，針對機組在不同模式下，分別制定干預方式及檢修方案，可作為保證機組安全運行長期有效的管控手段，對重水堆專設安全系統檢修具有重要意義。