稳压器喷淋阀盘根引漏管泄漏问题原因分析及改进

谢男泉 杨军

摘 要：国内某核电厂大修发现稳压器喷淋阀盘根引漏管存在硼结晶，进一步发现引漏管裂纹故障。文章针对这一故障，从盘根泄漏原因、引漏管裂纹分析两个方面进行故障原因查找，提出相应改进方案，并推广至群厂反馈处理，成功解决了此类共性问题。

关键词：稳压器喷淋阀;引漏管裂纹;盘根泄漏;原因分析;改进方案

引言

压水堆核电机组的稳压器喷淋阀是用来辅助控制一回路冷却剂压力，以保证反应堆在正常功率变化及中、小事故工况下反应堆安全稳定。每台机组有两个喷淋阀，喷淋阀正常运行时保持连续的喷雾流量从而减少喷雾管和波动管的热应力，并有助于在稳压器中维持均匀的水化学和温度（极化运行）。稳压器喷淋阀盘根出现泄漏，将会导致稳压器卸压箱水位持续上涨，一回路泄漏率出现高报警，泄漏率最高达到210L/h时，影响机组稳定运行，机组存在潜在停机停堆风险。

1.故障背景

2018-2019年，国内某核电站多机组大修时均发现稳压器喷淋阀盘根引漏管有硼结晶（如图1），进一步检查发现引漏管存在裂纹（如图2）。

稳压器喷淋阀为法国EMERSON（FISHER）厂家生产的气动调节阀，气动执行机构为隔膜正作用式，阀体密封结构为半球型结构。该阀门卧式安装，其盘根引漏管位于阀门下方，阀体距地面约350mm。閥门的盘根分为前部和后部两组盘根，前部盘根作用是将阀体内的介质密封在阀腔内，后部盘根作用是阻挡由前部盘根渗漏出来的介质继续向阀体外漏。盘根引漏管的作用是将前部盘根渗漏出来的介质引流至RCP002BA，最终将泄漏的介质收集至废液处理系统（如图3）。

盘根引漏管由阀门厂家生产并随阀体一起供货的，尺寸为1/2”， SCH40 304L不锈钢管道 ，长约150mm，RCCM等级为NC级。其上部与阀体的连接方式为焊接，下部通过活接与下游管道连接（如图4）。

2.原因分析

通过现场勘察及对系统管线布置进行分析，日常运行期间，喷淋阀处于最小流量开度，阀腔内为高温高压水（285℃，155bar），正常情况下盘根引漏管内无介质，常温常压。但当盘根出现轻微渗漏时，高温高压水通过盘根引漏管流入RCP002BA。如果引漏管存在裂纹，将有部分介质产生外漏形成硼结晶。

2.1 盘根泄漏的原因

在调节阀的维修活动中，因盘根引起的故障比较常见，调节阀在系统中随时处于调节状态，故调节阀动作频繁，对盘根的各项性能有很高的要求。盘根的密封原理主要在于轴承效应和迷宫效应。根据盘根相关设计资料以及实践经验来看，影响盘根泄漏的因素主要有盘根选型、盘根配合组件密封面缺陷、盘根安装问题、盘根老化松弛等。

1）盘根选型

根据填料函设计相关资料和手册[1]，得出填料的主密封压力计算式为：

式中：

Pr—填料径向压力，MPa;  P0—填料压盖处压力，MPa;

K—填料应力比值（应力系数）;  d0—填料函孔直径，mm;

d1—阀杆直径，mm;  S—填料深度，mm;

u1—填料与阀杆间的动摩擦系数;  u2 —填料与填料函的静摩擦系数。

从上述公式可以看出填料的主密封压力（即径向压力）分布随着填料深度的增加而按指数规律降低，同时填料与阀杆及填料函之间存在静摩擦力，填料受到轴向压力分布是随着填料深度的增加而逐道递减的（如图5）。

稳压器喷淋阀盘根是跟随阀门本体一起供货，由4道柔性编制石墨盘根和7道纯石墨环组成，为双层隔离式填料结构。其中前部盘根共7道（2个编织盘根+5个石墨环），起主要密封作用;后部盘根共4道（2编织盘根+2石墨环），起辅助密封作用;前后两组盘根中间由一个带孔灯笼环分隔，起引流前部盘根泄漏的介质（如图6）。此种设计方案允许盘根有一定的泄漏量。根据电站运行规范对于RCP002BA液位上涨速率标准讨论给出的RCP002BA液位上涨速率控制标准为<10mm/d（对应一回路泄漏率<6.25L/h）。

在盘根数量较多（11道盘根）时，较大的静摩擦力使得盘根紧固力矩无法有效传递到里侧第一层7道盘根。当总的盘根摩擦力达到标准值时，而后部4道盘根受力过大，前部第一层7道盘根受力较小。阀门运行一段时间后，由于盘根的老化和磨损，前部盘根受到的挤压力降低，与阀杆及盘根腔挤压变形变小，密封能力降低，易产生轻微泄漏。目前核级阀门盘根[2]常用编织盘根按性能由一般到优秀有碳纤维编织盘根、增强石墨编织盘根、金属丝增强柔性石墨编织盘根，常用的纯石墨环形式按性能由一般到优秀有平口环、锥形环、V形环。目前核电机组重要调节阀多已经完成阀门盘根国产换型V型盘根替代，替代后盘根硼结晶出现频次明显降低。

2）盘根配合组件缺陷分析

由盘根安装结构可知，盘根发生泄漏主要通过盘根与阀杆或者填料函的接触面产生泄漏，当阀杆或者填料函的密封面出现贯穿性缺陷时，盘根更容易发生泄漏。根据实践经验，总结盘根配合组件密封面缺陷主要有如下几种情况：

1）阀杆弯曲：阀门开关时阀杆不对中可能会使阀杆弯曲，使盘根泄漏。

2）阀杆表面光洁度差：因异物或制造缺陷造成阀杆损坏，使盘根泄漏。

3）填料函有缺陷：函内壁因损坏/锈蚀等损伤密封面，使盘根泄漏。

喷淋阀解体检查反馈，喷淋阀阀杆未见弯曲，阀杆表面和填料函内壁光洁度很好，所以可以排除因为盘根配合组件密封面缺陷造成盘根泄漏的可能性。

3）安装问题

调节阀盘根安装要求是比较高的，盘根安装不规范容易导致盘根受力不均，盘根摩檫力过大问题，盘根紧固力矩不足等也会造成调节阀盘根渗漏。稳压器喷淋阀盘根紧固力矩是根据FLOWSCANNER试验测量出的盘根摩擦力来进行确定的，推荐的盘根摩檫力范围是110-140 daN。

为了排查盘根安装是否存在问题，核实喷淋阀拆前校验结果各项参数均合格，盘根摩擦力140daN，核对前一轮大修盘根安装过程，没有操作方式和安装标准的变化。盘根的安装方式进行了细化，均为逐道安装，确保下部的盘根能够获得一定的预紧力。因此，排除了盘根安装问题。

4）盘根老化松弛

阀门在线运行一段时间后，盘根都会表现出一定的应力松弛，直接表现为盘根力矩不同程度变小。究其原因，主要有：

一、盘根紧固时，作用在压盖螺母上的力矩向下压缩盘根，使盘根受轴向力的作用。同时被压缩的盘根向外膨胀挤压阀杆和盘根腔室，产生了一个阻碍盘根向下运动的摩擦力。因此，越到盘根腔底部，盘根所受的轴向压力越来越小，盘根与阀杆之间的摩擦力也就越来越小。在阀门动作一段时间后，上端盘根逐渐把一部分轴向力传递给底部盘根，使得轴向力的分布有所改善，再次校验盘根时盘根力矩变小。

二、盘根与阀杆、盘根腔室之间属轻微过盈配合。盘根一一安装到盘根腔室并进行紧固过程中，相邻两盘根环之间的气体被挤压渗入盘根组织内部，阀门动作一段时间后，渗入盘根内部的气体被阀杆带出，从而致盘根发生应力松弛，这时盘根力矩也会变小。

喷淋阀在设计上已经加装载荷补偿碟簧，可以弥补盘根的应力松弛，同时喷淋阀目前的预防性解体更换盘根的大纲周期为3C，周期较短，进一步防止盘根的应力松弛。因此，盘根老化松弛对于泄漏影响不大。

小结

综上所述，喷淋阀盘根泄漏的主要原因在于盘根选型上存在不足，同时盘根安装不规范只是可能的影响因素，可以通过盘根固化安装方法以及设计专用工具安装等方式改进，减少盘根安装问题的产生。盘根选型的替代也可以一定程度改善盘根的密封问题。

2.2引漏管裂纹原因分析

管道裂纹的故障模式比较多，结合现场情况，分析过程对如下可能原因进行逐一排查。

1）管线振动分析

通过上行喷淋试验窗口，对阀门及管道进行测振，检查同类阀门及管道振动情况，结果如表1所示：

从上述测振结果来看，管线振动情况优秀，故排除振动原因。

2）管道材质分析

对断裂的喷淋阀引漏管进行光谱分析，结果与设计材质相符（如图7），未见异常。

3）介质冲刷分析

通过反光镜对两台机组的4根盘根引漏管目视检查，发现有一根管道内壁有轻微隆起现象（如图8），且隆起部位目视存在可见裂纹，现场判定未见冲蚀痕迹，怀疑为制造缺陷。其余三根管道内壁均未见冲刷痕迹，测量管道壁厚（如图9），未见明显管道壁厚异常。因此介质冲刷导致管道断裂的可能性基本排除。

4）管线承压分析

稳压器喷淋阀盘根引漏管为非承压管道，除非下游管线堵塞，盘根泄漏的介质会造成管线超压，导致管道产生裂纹。但是经过现场核实，未发现堵塞情况。因此管道超压导致管道断裂的可能性可以排除。

5）管道微观分析

为进一步探究管道裂纹的原因分析，分别截取两个喷淋阀引漏管作为样管：1号管样（无裂纹等异常）、2号管样（有多条裂纹），采用光学显微镜金相组织观察及扫描电镜表面观察的方式进行微观分析：其图像显示如图10所示：

分析结果：1号管金相组织观察及扫描电镜观察未发现异常问题。2号管金相组织观察发现开裂部位的样品存在多条裂纹，由内壁向外壁穿晶开裂，呈树枝状分叉;扫描电镜检查发现裂纹面由内壁向外壁穿晶开裂，无疲劳断裂特征，存在腐蚀性元素氯。

对于发现的腐蚀性元素氯来源分析：喷淋阀的介质为严格控制氯元素的除盐水，氯元素极低;另外，该阀门使用的核级盘根也是严格控制氯含量，因此，由介质或者盘根导致引漏管内存在氯元素的可能性较低。根据阀门检修工作组反馈，在解体后使用自来水对外送分析的两根引漏管进行去污和水压试验。因此，外送检测发现的氯元素的来源为自来水引入的可能性较大，而造成应力腐蚀的氯元素的来源无法确定，不排除为厂家制造过程中的遗留。

6）管道硬度试验

针对上述1、2号样管

进行硬度测量实验，测量数据见下图11所示：

分析结果：1号样管硬度满足材料标注要求，2号样管硬度值略高于GB/T14975的要求，且明显高于1号管。

小结

通过上述的分析，断裂的引漏管硬度异常超标，残留较高的制造残余应力，不排除在厂家制造残留或者后续安装运营阶段引入氯元素加快了管道的腐蚀开裂。引漏管为厂家供整阀时自带，与设备为同一厂家提供。综上所述，稳压器喷淋阀盘根引漏管断裂的根本原因是制造缺陷。

3 处理方案及改进措施

综合上述分析，针对稳压器喷淋阀盘根引漏管硼结晶问题，最佳处理方案为直接更换喷淋阀盘根引漏管，同时检查引漏管内部状况，若有较多硼结晶泄漏时可更换阀门盘根。盘根安装时适当改进安装方法，增加验收环节，确保盘根安装质量可靠。推进喷淋阀盘根的替代，改进盘根的密封性能，减少盘根泄漏情况发生。

4 结论及建议

稳压器喷淋阀是压水堆核电机组一回路压力控制的重要调节阀阀门，首次出现阀门盘根引漏管断裂缺陷，本文对于此缺陷进行深入原因分析和论证，得出了如下结论：

4.1明确了引漏管硼结晶来源于喷淋阀盘根泄漏;

4.2提出噴淋阀盘根选型存在可改进空间，并提出了改进措施;

4.3分析引漏管断裂的根本原因在于厂家制造缺陷;

建议与展望：随着密封技术的发展，盘根密封结构形式存在一定的改进空间，随着工业化进程发展，国产化高等级密封的盘根在成本上具有一定优势。针对常出现泄漏的阀门盘根，可通过替代升级或者密封机构改造等方式提升其密封等级，改善设备的可靠性。

参考文献：

[1]刘坤芳，马志国.阀杆填料密封结构的分析与研究[J].新技术新工艺.热加工工艺技术与材料研究，2008， 6，46-48.

[2]耿艳春，吴益民，王仕江等.核电阀门密封材料研究与填料的结构设计[J].液压气动与密封，2014， 8，27-31.