核电厂应急疏水阀开阀故障根本原因分析及处理

2.1  阀门结构及开阀受力分析

该应急疏水阀为直行程气动式、失气开型阀门，介质流向为高进低出，采用带平衡孔的平衡阀芯，阀体结构简图和全关位时开阀受力如图1所示。

(a)

(b)

(a)阀体结构简图  (b)全关位时开阀受力示意图

图1  应急疏水阀阀体结构和全关位时开阀受力分析示意图

要确保开阀成功，气动执行机构提供的推力F_ACT必须大于阀门全关位开启所需的推力F_REQ，计算公式如下：

式中  F_DS——阀芯和阀杆重力产生的力，N

F_P——填料摩擦力，N

F_US——上密封摩擦力（可从静态行程试验中获得，也可从阀门厂家获得），N

F_SR——阀杆反作用力，N

F_DF——阀芯和阀体导向槽间的摩擦力，N

F_DP——系统差压产生的力，N

A_ACT——气动执行机构膜片有效面积，m²

High benchset——阀门全关时弹簧压缩量等效的隔膜气压值，Pa

阀芯和阀杆重力产生的力F_DS计算公式如下：

式中  W_DS——阀芯重力，N

ϕ——阀座与垂直线的角度，°

填料摩擦力F_P计算公式如下：

式中  μ——阀杆和填料间的摩擦因子

S_g——轴向阀盖/填料法兰预紧力，N

Y——半径与轴长的比值

H——填料高度，m

L——负载因子

d_S——阀杆直径，m

阀杆反作用力F_SR计算公式如下：

式中  P_UP——上游压力，Pa

ΔP——上下游压差，Pa

阀芯和阀体导向槽的摩擦力F_DF计算公式如下：

式中  G——侧向载荷系数

d_G——阀芯下导向环直径，m

H₂——阀芯下导向环高度，m

系统差压产生的力F_DP计算公式如下：

式中  A_I——阀芯不平衡面积，m²

该进口应急疏水阀开启所需推力F_REQ计算公式中较多参数未知，暂无法直接计算出理论数值，但可相应分析F_REQ和F_ACT的组成部分，采用故障树分析法查找导致阀门开阀失败的根本原因。

2.2 阀门开阀故障模式分析

结合阀门结构及运行特性，基于阀门长期运行后首次开阀失败这一故障现象，根据开阀时的受力分析，对阀门从全关位开启时的阻力因素进行定性分析，发生开启故障的原因主要有执行机构出力不足、填料摩擦力过大、阀门上下游压差过大、阀体内部卡涩、手轮中性点设置不当、阀门安装不对中等，故障树如图2所示。

图2  阀门开阀失败故障树

根据阀门故障树分析结果，对阀门开阀故障模式逐一进行分析。

2.2.1  执行机构出力不足

经排查，发生开阀故障的阀门均是在长期关闭后首次打开时出现缺陷，用千斤顶辅助开启后阀门动作恢复正常，检查定位器和其他仪控附件均无异常，智能定位器通过设定参数SHUT_OPN让定位器接收到全开信号后排空执行机构气压，不存在气腔憋压导致阀门无法打开的情况。

随后对比阀门执行机构改造前后弹簧设定值、更换弹簧前后执行机构参数，分析结果表明：通过增大执行机构弹簧benchset设定值（增大约1倍）、更换弹性系数更大的弹簧（增大至1.5倍），在一定程度上改善了阀门开阀能力，部分阀门现场可依靠较大的弹簧力瞬间开阀，但持续运行后仍有较多阀门无法开阀成功，说明该措施仅为缓解手段，未从根本上解决开阀故障问题。根据《NB/T 20036.6-2011核电厂能动机械设备鉴定 第6部分:阀门组件鉴定》中相关内容——采用过大尺寸驱动器的超额载荷克服粘连问题会产生更严重的问题，可能会损害阀门组件完成其规定的与安全相关功能的能力，故不能继续增大执行机构输出能力。

2.2.2  填料摩擦力过大

开阀故障均是在应急疏水阀长期关闭后首次开阀时出现，用千斤顶辅助开启（仅离开阀门关位）后阀门动作可恢复正常，阀门解体回装后，长期运行依然出现不能开启的缺陷。该应急疏水阀使用的石墨填料应用广泛，甚至在高性能调节阀中使用，且现场解体时未发现填料过紧现象。因此，排除填料摩擦力过大直接导致阀门开启故障的可能性。

2.2.3  阀门上下游压差过大

应急疏水阀采用圆筒式阀笼配合柱塞阀芯的结构，阀芯内部开有通流孔，为带平衡孔式平衡阀芯，阀芯上部空间直接与阀门下游连通，竖直方向上不存在介质压差，如图3所示，排除阀门上下游压差过大导致阀门开启故障的可能。

图3  应急疏水阀阀芯实物

2.2.4 手轮中性点偏差与安装对中缺陷

通过解体检查可知，手轮中性点设置正确，执行机构与阀杆连接、阀芯组件与阀笼对中无异常，且阀门回装后依然出现不能打开的缺陷，因此排除这两类故障影响。

2.2.5 阀体内部卡涩

对故障阀门进行解体检查，阀芯、阀笼和阀座等部件均无明显摩擦划痕，未发现明显异物，阀内件清洗回装后依然出现开阀故障，排除异物、阀芯和阀笼摩擦力过大引起的开阀故障。

阀门密封形式为线密封，现场实测阀座的密封角度为24°~25°，阀芯的密封角度为19°，当应急疏水阀关闭时，阀芯会“镶嵌”在阀座内，如图4所示，类似于楔形闸阀，该阀门结构上存在热胀粘合的可能；同时，应急疏水阀开启期间流通介质温度较高，最高温度达到100~200 ℃，关闭后阀门上游流体处于非流动状态，且阀门距离疏水母管较远，因此阀体温度将逐渐降至室温，导致阀座、阀芯等阀内件的热胀冷缩，为热胀粘合创造了运行条件。根据核电厂反馈，发生故障的应急疏水阀均是在长期关闭后首次开启时出现缺陷，用千斤顶辅助开启后阀门动作可恢复正常，但阀门解体回装后，长期运行后依然出现不能开启的缺陷，符合阀芯和阀座热粘连的表现。综上所述，根据阀门结构特点、运行条件、现场实际运行情况，阀门出现了热胀粘合，直接导致阀门开启故障。现场采取增加执行机构输出能力的措施，在一定程度上有利于阀门开启，但无法彻底解决该问题。

图4  阀芯和阀座线密封结构

2.3  国内核电经验反馈

本文调研了国内其他核电厂应急疏水阀运行情况以及改进方案，具有一定的参考借鉴价值，主要包括：

（1）有5家核电厂采用该品牌、相似结构阀门，均多次出现应急疏水阀长时间关闭后无法正常开启（首次开启）的故障，现场临时处理措施均是使用液压千斤顶辅助开启，说明该阀门存在设计缺陷。

（2）某核电3/4机组对该品牌高加/低加应急疏水阀进行了成功改造：增大阀瓣密封面角度，卡涩现象得到了明显改善；更换大刚度弹簧（弹性系数增加约1倍）和摩擦力小的盘根（Teflon材料），再适当增大气压保证密封，目前阀门状态保持良好。

（3）某核电将该品牌应急疏水阀整体换型，彻底解决了故障，阀门结构与配置主要存在两处差异，其变化包括：一是阀体线密封结构形式优化明显，原阀座密封角大于阀芯密封角，阀座密封线位于密封面内侧，阀瓣密封线处于密封面中部，结构形式如图4所示；换型后阀座密封角较阀芯密封角偏小约2°，阀座密封线移至密封面中部，阀瓣密封线调整至密封面外侧，有效减小了开启阻力，更利于阀门顺利启开，结构形式如图5所示。二是阀杆、阀座、阀笼等关键阀内件材质配置不同，原阀门所有阀内件均采用ASTM-A276 TYPE 420材料，换型阀门则采用三种差异化材质搭配，整体摩擦系数显著降低。

图5  某核电厂阀门换型后阀芯和阀座线密封结构