袁小魏，李平原

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

秦山核電基地70萬生產(chǎn)單元是引進(jìn)加拿大的重水堆機(jī)組，稱為CANDU 6型重水堆[1]，其一大特點(diǎn)就是不停堆換料，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)由A，C兩側(cè)裝卸料機(jī)分別連接燃料通道的兩端相互配合進(jìn)行不停堆換料。這種重水堆不僅慢化劑是重水，冷卻劑也是重水，因此與主系統(tǒng)相連的裝卸料機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)也是重水。

裝卸料機(jī)重水供應(yīng)系統(tǒng)的功能是為裝卸料機(jī)提供一定壓力、溫度、流量的重水，在保障裝卸料機(jī)料倉內(nèi)乏燃料冷卻的同時(shí)，提供裝卸料機(jī)水回路操作的動(dòng)力[2]。公共回流閥在重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力控制過程中用于保持公共集管壓力在預(yù)整定值不變，在第二臺(tái)泵的啟動(dòng)或停止時(shí)，用于減弱附加于系統(tǒng)的擾動(dòng)。若該閥門控制失效，會(huì)引起泵的輸出壓力快速增加，重水泵出口安全閥起跳，使重水直接噴灑至地面，引起反應(yīng)堆廠房氚水平的意外大幅度升高和重水的損失；甚至對(duì)乏燃料冷卻、主熱傳輸系統(tǒng)壓力邊界完整性產(chǎn)生一定的影響。

因此分析公共回流閥失效原因及應(yīng)急處理對(duì)于換料系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的意義。

1 重水供應(yīng)系統(tǒng)功能

1.1 重水供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行模式

1.1.1 裝卸料機(jī)運(yùn)行模式

根據(jù)整個(gè)換料過程裝卸料機(jī)所處的不同工況，設(shè)計(jì)上，裝卸料機(jī)有幾種不同的運(yùn)行模式，用來滿足功能要求。

（1）燃料傳輸模式。裝卸料機(jī)在新燃料通道裝載新燃料、在乏燃料通道卸除乏燃料或在輔助通道進(jìn)行維修操作期間處于這種運(yùn)行模式。該模式下，裝卸料機(jī)料倉的壓力設(shè)定點(diǎn)為0 MPa，處于堰壩液位。

（2）停車模式。裝卸料機(jī)在反應(yīng)堆與維修區(qū)之間運(yùn)動(dòng)和換料間隙的無其他操作的狀態(tài)時(shí)處于停車模式。該模式下，裝卸料機(jī)料倉壓力設(shè)定為3.1 MPa，料倉滿液位。

（3）離堆模式。裝卸料機(jī)抱卡在反應(yīng)堆通道上，密封塞尚未取出時(shí)的運(yùn)行模式，稱為堆下模式。該模式下，處于反應(yīng)堆通道上游的裝卸料機(jī)料倉壓力設(shè)定為11.38 MPa，處于反應(yīng)堆通道下游的裝卸料機(jī)料倉壓力設(shè)定為10.48 MPa。

（4）在堆模式。裝卸料機(jī)抱卡在反應(yīng)堆通道上，管嘴塞、密封塞都已經(jīng)取走，裝卸料機(jī)與反應(yīng)堆通道連同的運(yùn)行模式，稱為堆上模式。此時(shí)，料倉壓力與通道壓力相同?；亓鞴芫€上的料倉壓力控制閥處于全關(guān)狀態(tài)，所有裝卸料機(jī)重水閥站的供給流量都從機(jī)頭料倉注入反應(yīng)堆通道。

1.1.2 重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力控制模式

為滿足上述裝卸料機(jī)不同運(yùn)行模式的需要，裝卸料重水系統(tǒng)壓力控制設(shè)計(jì)有4種控制模式（表1）。

表1 裝卸料機(jī)重水供給系統(tǒng)和重水閥站的壓力設(shè)定點(diǎn)

1.2 重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力控制原理

重水供應(yīng)系統(tǒng)組成部分影響或構(gòu)成了壓力控制系統(tǒng)的一部分（圖1），主要包括 2臺(tái)重水泵（4-1，4-2）、阻尼器（3-1，3-2，6-1，6-2）、逆止閥（9-1，9-2）、壓力控制閥（10-1，10-2，10-3，10-4）和公共回流閥（14）。另外，旁路熱交換器（13）在系統(tǒng)中也會(huì)引起一個(gè)小的但明顯的壓降。整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)壓力變送器（11-1，11-2，11-3）和3個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字調(diào)節(jié)器及上述的壓力控制閥和相關(guān)的開關(guān)、指示燈組成。一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字壓力調(diào)節(jié)器經(jīng)公共回流閥控制2個(gè)工藝系統(tǒng)的公共壓力，公共壓力由壓力變送器11-1測(cè)量。

為維持重水泵出口壓力控制，重水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了公共母管環(huán)路。該公共母管環(huán)路在A/C兩側(cè)輸出環(huán)路之間作為吸收壓力擾動(dòng)的環(huán)路，公共母管環(huán)路通過控制公共回流閥的開度來保持公共母管的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。公共回流閥在A，C側(cè)系統(tǒng)輸出供應(yīng)之間作為解除連接的機(jī)械裝置，確保一側(cè)的壓力擾動(dòng)不會(huì)嚴(yán)重影響另一側(cè)的壓力控制，同時(shí)也不會(huì)由于兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互影響嚴(yán)重減弱系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。另外，在異常工況中一臺(tái)重水泵運(yùn)行，另一臺(tái)泵的啟動(dòng)或停止時(shí)，它也幫助減弱附加于系統(tǒng)的擾動(dòng)。

圖1 重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力控制原理圖

為防止泵出口壓力（公共母管壓力）超過設(shè)定值，在每個(gè)重水供給泵出口安裝了一臺(tái)安全閥，安全閥的設(shè)定點(diǎn)為18.62 MPa，給系統(tǒng)提供過壓保護(hù)功能。

其中，1——低壓過濾器，2——隔離閥，3——低壓阻尼器，4——重水泵，5——泄壓口，6——高壓阻尼器，7——安全閥，8——高壓過濾器，9——逆止閥，10——壓力控制閥，11——壓力變送器，12——主系統(tǒng)重水儲(chǔ)存箱，13——熱交換器，14——公共回流閥

2 公共回流閥失效原因分析及處理

根據(jù)公共回流閥（廠家及型號(hào):Fisher，667-HPS，Actuator 667-50）的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行歷史，其失效故障主要集中在4個(gè)方面:①系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)閥門頻繁小開度控制和閥門的頻繁動(dòng)作導(dǎo)致閥芯及閥座環(huán)密封面的氣蝕；②閥桿填料密封泄漏；③膜片老化、損傷；④定位器等控制附件的設(shè)定值漂移。

2.1 閥芯和閥座損傷

公共回流閥靠閥桿相對(duì)于閥座的運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)閥門的開度不斷地節(jié)流和切斷流體，以達(dá)到控制公共回路壓力的目的，公共回流閥如圖2所示。

閥桿與閥芯采用了螺紋旋合后通過一個(gè)過盈配合的銷釘加固的組合式結(jié)構(gòu)保證剛性連接，保證閥桿與閥芯、閥籠間的同心度。在運(yùn)行過程中，為維持流體穩(wěn)定地流過閥門，在截面最小的斷面處，流速必須最大。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，閥門前后壓差作用在閥座的密封面上，當(dāng)閥芯接近閥座時(shí)，壓降很大，力量形成速度很快，若連續(xù)的在靠近閥座的位置進(jìn)行節(jié)流，閥門的自激振蕩現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致閥座密封面的損傷。閥芯與閥座的密封面機(jī)械磨損及流體的沖刷是經(jīng)常遇到的問題，而密封面因機(jī)械磨損、流體沖刷會(huì)引起閥門的內(nèi)漏并會(huì)不同程度的改變閥門的流量特性。

圖2 公共回流閥

通過對(duì)出現(xiàn)內(nèi)漏故障的公共回流閥解體發(fā)現(xiàn)，閥芯、閥座密封面出現(xiàn)了不同程度的損壞（圖3）。公共回流閥長(zhǎng)期在小于20%的開度工作，巨大的壓差落在閥座與閥芯之間的通道上，壓力巨減的位置往往是氣蝕的關(guān)鍵位置。介質(zhì)的沖刷及氣蝕作用極易導(dǎo)致閥芯、閥座密封面出現(xiàn)缺陷，而且缺陷隨運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸惡化。此外，即使發(fā)生氣蝕、沖蝕等得破壞，也是先發(fā)生在閥芯頭部上。隨著閥芯破壞，流量增加，可以對(duì)閥門行程進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證閥門再關(guān)嚴(yán)一點(diǎn)，這樣不斷破壞，逐步關(guān)閉，使整個(gè)閥芯全部充分利用，直到閥芯根部及密封面破壞，不能使用為止[3]。通過調(diào)整預(yù)防性維修的頻度及時(shí)更換有缺陷的閥芯、閥座可以保證閥芯及閥座密封功能。

圖3 損壞的公共回流閥閥芯

2.2 閥桿填料密封泄漏

公共回流閥閥桿填料密封采用PTFE ENNIRO-SEAL填料系統(tǒng)[4]，被認(rèn)為是最典型的減少泄漏排放的填料系統(tǒng)。根據(jù)填料密封時(shí)的壓力分布理論分析及各種填料設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試，得到經(jīng)驗(yàn)公式（1）[3]。

式中Pr——填料的徑向壓力

P0——作用于填料壓蓋的壓力

K——填料的應(yīng)力比值

d1——閥桿直徑

d0——填料函孔徑

s——填料長(zhǎng)度（深度）

μ1——填料與閥桿之間的動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2——填料與壓蓋之間的靜摩擦因數(shù)

根據(jù)填料壓力分布的經(jīng)驗(yàn)公式可以得出結(jié)論:填料的徑向壓力隨填料的長(zhǎng)度按指數(shù)規(guī)律降低。公共回流閥使用了純聚四氟乙烯的V形填料，具有摩擦系數(shù)小，化學(xué)惰性強(qiáng)和自潤(rùn)滑作用等優(yōu)點(diǎn)[4]。但是，純聚四氟乙烯缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)高，是不銹鋼的10倍[5]，這導(dǎo)致填料函出現(xiàn)溫度變化時(shí)填料與閥桿、填料與填料函壁的間隙發(fā)生較大變化，不能保證良好密封。

因此，在檢修期間必須保證填料壓蓋螺栓力矩適中，決不能過大，如果設(shè)備投運(yùn)后出現(xiàn)填料密封滲漏故障，可以適當(dāng)緊固填料壓蓋螺栓以保證填料的徑向載荷，進(jìn)而保證填料的密封性能。

2.3 膜片老化、損傷

作為公共回流閥的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起著接收控制信號(hào)并按此信號(hào)正確響應(yīng)的功能，它的失效將直接導(dǎo)致公共回流閥失去控制流體流量的功能。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的膜片因長(zhǎng)期承受壓縮空氣及彈簧的雙重作用而處于工作狀態(tài)，其老化、磨損是膜片型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要的失效模式[6]。

膜片通常是由合成橡膠與合成纖維經(jīng)模壓加工而成，因橡膠都有溫度限制和有效期限，而且對(duì)于經(jīng)常承受載荷的纖維來講，抗扯斷強(qiáng)度、彈性等指標(biāo)也將隨著時(shí)間和載荷的雙重作用而降低。檢修時(shí)應(yīng)對(duì)膜片的材料、硫化日期、廠家推薦的橡膠材料的有效期進(jìn)行登記并定期對(duì)接近有效期的膜片進(jìn)行重點(diǎn)檢查，防止膜片老化而失效的故障。

磨損也是膜片失效的常見故障。造成膜片磨損的原因可能是膜片的尺寸不合適，也可能是與膜片接觸的金屬部件存在毛刺或銳邊。因此，在檢修的過程中必須要保證安裝的膜片尺寸合適，其次要保證裝配正確，減少因膜片磨損而導(dǎo)致閥門功能降低或失去的故障。

2.4 定位器等控制附件的設(shè)定值漂移

因定位器或電器轉(zhuǎn)換器等控制附件的設(shè)定值偏離了規(guī)定值，啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣壓力減小引起閥門實(shí)際輸入與輸出的不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)流量、壓力的改變和重新分配，導(dǎo)致閥門的輸入、輸出偏差的進(jìn)一步變化，造成閥門不穩(wěn)定，這將對(duì)閥門的調(diào)節(jié)功能、壽命產(chǎn)生極大影響。通過對(duì)這些控制附件的檢查發(fā)現(xiàn)，設(shè)定值漂移故障大多是由于環(huán)境溫度、部件的老化等原因造成。這些附件的設(shè)定值漂移可以通過預(yù)防性維修來保證設(shè)備的正常功能，進(jìn)而保證公共回流閥的正常調(diào)節(jié)功能。

3 公共回流閥失效應(yīng)急處理

根據(jù)公共回流閥所處的位置及在壓力控制中所起到作用，以上閥門的失效形式不足以引起系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)。由于公共回流閥是失效關(guān)的閥門，若壓空供氣失去，該閥門實(shí)際位置關(guān)閉，重水供應(yīng)泵出口壓力上升，主控室自動(dòng)控制中顯示公共回流閥全開。

3.1 重水供應(yīng)壓力設(shè)定為高壓

3.1.1 事故后果

高壓工況下，串行閥10-1，10-2（圖1）的設(shè)定開度較大，公共回流閥全關(guān)后所截?cái)嗟牧髁磕軌蛲ㄟ^并行閥10-3，10-4（圖1）的打開來彌補(bǔ)。因此該工況下，公共回流閥失效除了瞬時(shí)造成重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力擾動(dòng)外，重水泵的出口壓力處于自動(dòng)可控狀態(tài)，換料系統(tǒng)設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

3.1.2 異常征兆

由于公共回流閥全關(guān)，并行閥10-3，10-4的開度將會(huì)略有增加，串行閥10-1，10-2的開度保持不變，裝卸料機(jī)料倉壓力可能會(huì)出現(xiàn)小幅短時(shí)壓力波動(dòng)，公共母管壓力略高于設(shè)定點(diǎn)，公共回流閥的閥位是100%開度，不會(huì)導(dǎo)致料倉壓力釋放閥動(dòng)作。

3.1.3 事故處理過程

盤臺(tái)操縱員確認(rèn)工況，調(diào)出顯示界面，檢查流量、壓力、溫度，如可能派現(xiàn)場(chǎng)操作員前去確認(rèn)閥門開度。若兩側(cè)裝卸料機(jī)未帶有乏燃料且燃料通道未打開，直接停運(yùn)重水泵，通知維修人員處理。

若裝卸料機(jī)內(nèi)帶有乏燃料且燃料通道已關(guān)閉，暫停操作，確認(rèn)工況穩(wěn)定，裝卸料機(jī)料倉壓力和重水供給壓力沒有大的波動(dòng)，通知維修人員處理。若裝卸料機(jī)抱卡在燃料通道上且通道處于打開狀態(tài)，如果燃料未推入通道，暫停操作；如果燃料已推入通道，繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)程序操作直至回裝密封塞避免燃料處于交叉流，暫不關(guān)閉通道，通知維修人員處理，等待維修人員處理完成后，繼續(xù)自動(dòng)程序完成后續(xù)操作。

若維修人員無法在一定時(shí)間內(nèi)完成維修工作，經(jīng)授權(quán)后，編寫臨時(shí)操作票通過手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥10-1，10-2，10-3，10-4（圖1）完成后續(xù)操作。由于公共回流閥全關(guān)狀態(tài)，后續(xù)在燃料通道關(guān)閉和重水供給壓力及料倉壓力降壓時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)串行閥10-1，10-2開度，不帶乏燃料側(cè)裝卸料機(jī)可維持在停車壓力（3.1 MPa）后暫停操作，帶乏燃料側(cè)裝卸料機(jī)在降至低壓和堰壩液位工況后，要確保重水供給壓力和料倉壓力的壓差在4 MPa左右，C桿流量在200 mL/min左右，利用C桿完成后續(xù)卸料操作。

3.2 重水供應(yīng)壓力設(shè)定為中壓或低壓

3.2.1 事故后果

中壓工況下，串行閥10-1，10-2（圖1）的設(shè)定開度較小，公共回流閥全關(guān)后所截?cái)嗟牧髁坎荒芡耆ㄟ^并行閥10-3，10-4（圖1）的打開來彌補(bǔ)。該工況下瞬時(shí)可能造成重水泵的出口壓力上升，重水泵出口壓力釋放閥釋放，重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力隨之發(fā)生振蕩，重水泵出口壓力穩(wěn)定在18.4 MPa。

3.2.2 異常征兆

公共壓力上升超過18 MPa，并行閥10-3，10-4開度將會(huì)略有增加，串行閥10-1，10-2開度保持不變，重水控制系統(tǒng)壓力出現(xiàn)波動(dòng)。公共回流閥的閥位是100%開度，料倉壓力不會(huì)出現(xiàn)明顯的壓力波動(dòng)但不會(huì)導(dǎo)致料倉壓力釋放閥動(dòng)作。

3.2.3 事故處理過程

盤臺(tái)操縱員確認(rèn)工況，調(diào)出顯示界面，檢查流量、壓力、溫度，如可能派現(xiàn)場(chǎng)操作員前去確認(rèn)閥門開度。若兩側(cè)裝卸料機(jī)未帶有乏燃料，直接停運(yùn)重水泵，通知維修人員處理。

若一側(cè)裝卸料機(jī)內(nèi)帶有乏燃料，確認(rèn)乏燃料未暴露在空氣中，否則，轉(zhuǎn)動(dòng)料倉將乏燃料全部置于水面以下，暫停計(jì)算機(jī)自動(dòng)程序操作。使用ME模式調(diào)節(jié)不帶乏燃料側(cè)串行閥10-1或10-2關(guān)度，開打其開度，是公共壓力穩(wěn)定在16 MPa左右（參考值:串行閥66%開度）。通知維修人員處理。

若維修人員無法在一定時(shí)間內(nèi)完成維修工作，經(jīng)授權(quán)后，編寫臨時(shí)操作票通過手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥10-1，10-2，10-3，10-4（圖1）完成后續(xù)操作。

4 總結(jié)

通過分析重水供應(yīng)系統(tǒng)壓力控制模式，總結(jié)了公共回流閥的失效形式，通過閥門的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行要求分析閥門失效故障進(jìn)行原因分析，并針對(duì)故障產(chǎn)生的機(jī)理提出了閥門失效應(yīng)急處理方案，以降低公共回流閥失效帶來的不利影響，保證重水供應(yīng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。