某核電廠穩壓器噴淋控制閥閥座石墨環斷裂原因分析及處理

三門核電有限公司 于涇緯

1 背景介紹

穩壓器作為核電廠一回路的重要組成設備，最重要的功能是控制一回路壓力。在穩態運行期間，維持一回路壓力在其整定值附近，防止堆芯冷卻劑汽化；在正常功率變化和瞬態工況下，穩壓器將一回路的壓力變化控制在允許范圍內，以保證反應堆安全，避免發生緊急停堆[1]。

穩壓器的壓力控制功能通過穩壓器噴淋子系統實現，使用穩壓器噴淋控制閥、比例加熱器和備用加熱器，使穩壓器壓力控制在設定的范圍內：打開穩壓器電加熱器組、閃蒸穩壓器內的飽和水可以補償壓力下降，開啟穩壓器噴淋控制閥從而冷凝蒸汽使壓力下降。

每條管線包含一個自動控制的噴淋閥。在反應堆冷卻劑系統運行期間，與I 環路冷管段相連的噴淋管線與I 環路熱管段相連的波動管線之間的差壓作為噴淋管線的驅動力。噴淋管線與反應堆冷卻劑系統I 環路的兩個冷段相連，所以只要I 環路有1臺反應堆冷卻劑泵在全速運行，即可保證足夠的噴淋流量[1]。

每個噴淋控制閥均與一個手動節流閥并聯，從而保證了在噴淋控制閥關閉時，始終有一個小的旁通流量流過噴淋管線和波動管線。在正常運行不需要噴淋流量時，旁通流量可以避免噴淋管線和波動管線的冷卻，減緩由于噴淋控制閥開啟，或負荷波動導致有流量通過波動管線所造成的熱應力或熱沖擊。旁通流量也有助于保持穩壓器內溫度分布均勻和化學性質分布均勻。

圖1 設計示意圖

穩壓器噴淋控制閥為4英寸（1英寸=2.54厘米）核一級遠程控制氣動球閥，對接焊在噴淋管道上。其設計壓力17.1MPa，設計溫度360℃。除包容功能為安全相關功能外，其開、關、調節功能均為非核安全相關。為減小閥門開啟時對閥門前后管道及閥門本身造成的熱沖擊，設計要求在閥門關閉時、閥前后413.7～689.5kPa 差壓下，保持有0.068～0.284m3/h 的泄漏流量。機組自調試開始，噴淋控制閥多次發現內漏過大的問題，解體均發現閥座石墨環出現斷裂損壞。

2 問題影響

當穩壓器噴淋控制閥內漏過大，將導致較大的持續噴淋流量，造成過多的蒸汽冷凝、壓力下降，正常處于停運的備用電加熱器將根據壓力損失情況投運，以實現壓力補償和平衡，這會帶來不必要的熱損失和能耗。同時，備用電加熱器一共20組，設計為機組事故瞬態下補償壓力使用，當部分備用加熱器需長期運行才能維持正常壓力平衡后，可用于補償事故瞬態下壓力降低的可用裕量減少，在機組出現瞬態時，可能出現壓力補償速率較慢，最終導致機組出現停堆的情況，降低了機組的安全裕量。

3 原因分析

穩壓器噴淋控制閥設計為V 型球閥，其密封結構形式如圖2所示，閥座與閥體之間設計石墨的閥座密封圈和屬擋圈。

圖2 穩壓器噴淋控制閥密封結構形式

穩壓器噴淋控制閥泄漏量要求≤0.284m3/h，主要是通過閥座與球芯密封面的配合，以及閥座與閥體間的密封圈來滿足泄漏要求。硬質石墨密封圈是一種常見的在閥門上作為密封件使用的設計，具備化學性質穩定、壽命長、耐高溫的優點，多次更換后均出現斷裂現象，基本可以排除制造方面的問題，根據閥門的運行工況進行原因分析。

由于閥門使用溫度較高，在設計閥座密封結構時，考慮金屬的熱膨脹，閥座與閥體間的配合一般考慮間隙配合，如圖3所示。為保證一定的補償裕量，閥座與閥體之間設計了波簧，避免閥座與球芯、閥座與閥體配合不到位。在閥門動作時，受流體沖擊力的影響下，閥座會出現不斷的輕微動作，而閥座密封圈與擋圈之間存在較大的間隙，導致閥座密封圈不斷產生竄動，加劇磨損，甚至與閥座或擋圈產生碰撞沖擊，最終斷裂，從而造成閥門內漏增加。

圖3 穩壓器噴淋控制閥閥座與閥體

穩壓器噴淋控制閥正常狀態為全關，在運行過程中，當穩壓器出現壓力波動時才會根據控制系統的指令進行調節動作，一般3～5天動作一次，開度一般在25%以下波動，運行工況屬于閥門小開度范圍。根據伯努利方程，小開度下介質通過截流，流量較低，壓力、流速急劇增大，因此對閥座與球芯的密封面、閥座與閥體間的閥座密封圈等零件沖擊也隨之增大，引起球芯、閥座、閥座密封圈、碟簧等零件的振蕩，而硬質石墨材質相對金屬檔圈、閥座來說較脆，在振蕩動作時易因沖擊產生斷裂。閥門長期小開度運行造成的潛在影響包括。

一是球芯與閥座密封面間間隙過小，介質流速過大，加劇介質對球芯、閥座的沖刷，并使密封面局部位置溫度升高，造成零件的損壞。二是劇烈的壓力和流速變化，當超過閥門的剛度時，會導致閥門產生劇烈的振蕩。三是當閥門小開度時，閥內件所受的不平衡力增加，閥門穩定性變差。如蝶閥在小開度時，會產生跳開、跳關現象。

閥門解體時，發現閥座密封面出現介質沖刷現象，形成類似金屬零件淬火后的表面現象，如圖4所示，進一步說明閥門運行存在上述問題。

圖4 閥座密封面

調節閥小開度頻繁調節運行是較為常見的設計要求，在閥門設計和制造時應充分考慮運行工況帶來的影響，以使設備滿足長期可靠運行的要求。該閥門在設計時，未充分考慮運行工況帶來的影響，閥座石墨環設計安裝尺寸不當，在閥門設計的小開度、頻繁動作的運行工況下，產生不斷的動作磨損和撞擊，在不到一個燃料循環的運行周期內即出現斷裂，導致閥門內漏顯著增加。

4 改進方案及說明

根據閥門的設計說明，閥門的總內漏量通過閥座與球芯密封面的配合面泄漏、閥座與閥體間的石墨密封圈泄漏兩部分組成，其中閥座與球芯的配合泄漏率占62%，閥座與閥體間的石墨密封圈泄漏占38%，因此閥座與閥體間的石墨密封圈泄漏量設計要求為（0.068～0.284m3/h）×0.38=0.026～0.108m3/h。

結合上文已分析的原因，為了避免石墨環頻繁動作產生磨損和沖擊，可通過增加石墨環的寬度，消除閥座和擋圈之間的間隙，避免產生頻繁的移動和撞擊。改進示意圖如圖5所示。

圖5 改進方案示意圖

為驗證改進后的效果，設計模擬試驗夾具，模擬閥座密封圈在實際使用工況下的動作情況，確保改進后的可靠性。試驗選取清潔的場地進行，試驗溫度為常溫，試驗用壓力表精度不得低于1.5級，壓力表的刻度范圍應不小于試驗壓力的1.5倍，但不大于3倍，在標定有效期內。因閥座密封環泄漏量有明確的要求范圍，試驗時一方面需驗證改進后石墨環的可靠性。

另一方面，也要確保泄漏率滿足要求，因此試驗主要分兩個階段實施：第一階段先排除夾具產生的潛在內漏，使用O 型圈代替閥座密封環裝入模擬測試夾具，對閥座與橡膠密封圈處的密封性能進行測試，如圖6所示。待測試通過后，第二階段使用改進后的石墨環裝入模擬測試夾具，然后模擬實際工況對閥座密封圈性能進行可靠性和泄漏率測試，根據試驗結果評估改進后的石墨密封環是否符合預期。具體試驗方法如下。

圖6 試驗第一階段夾具示意圖

一是橡膠密封圈密封試驗。將O 型圈安裝在閥座上，然后一并裝入模擬測試夾具。在進口端通入除鹽水，待壓力達到0.69MPa（G）后開始計時，并在5min 內保持試驗壓力不變，出口端接流量計，在出口管處進行檢漏。要求無可見泄漏。

二是石墨密封圈密封試驗。將改進的石墨密封圈安裝在閥座上，然后一并裝入模擬測試夾具。在進口端通入除鹽水，待壓力達到0.69MPa（G）后開始計時，并在5min 內保持試驗壓力不變，出口端接流量計，在出口管處進行檢漏。要求測量的泄漏率在0.026～0.108m3/h 范圍內。

三是動作試驗。該試驗主要目的為模擬閥座在設計最大壓差的動作帶來的沖擊，確保改進后的石墨環的可靠性。對試驗介質進口一端口通入除鹽水，待壓力達到0.69MPa（G）后開始計時，保持試驗壓力1min，隨后停止提供介質1min，到此為一個動作。另一端口通大氣，在出口管處進行檢漏。試驗重復次數不少于500次，每完成100次動作，對閥座密封圈進行一次密封試驗，觀察其在模擬工況下的磨損情況和泄漏量變化，要求泄漏率在0.026～0.108m3/h 范圍內。

5 改進效果

經過試驗，改進后的石墨環在多次動作后均可保證結構的完整性，且泄漏率滿足閥門設計要求，證明改進方案成功。

6 小結

該閥門通過上述分析、改進，成功解決了內漏頻繁增大的問題，且改進方案具備良好的經濟性和可實施性。但是，閥門在運行過程中的動作和介質參數的變化更為復雜，模擬的試驗條件與其難以達到完全一致，還需要在長期運行過程中定期檢查石墨環的狀態，根據實際情況制定合理有效的定期更換措施，以確保設備的長期可靠運行。