核电厂定子冷却水泵切换失败原因分析

刘斌，张精干，史庆峰，陈松，邵家泉，岳兴华

（中核核电运行管理有限公司技术二处，浙江海盐 314300）

0 引言

国内某核电厂2号机组发电机定子冷却水泵采用一用两备的方式，当运行泵发生故障时可自动切换到备用泵运行，保证系统的正常运行，如果运行泵发生故障而无法进行正常切换，将可能导致定子冷却水系统失效从而引起停机，甚至可能损坏发电机设备[1]。该电厂在进行发电机定子冷却系统冷却水泵切换试验过程中曾多次发生切换备用泵失败情况，怀疑原因为两台泵同时运行时备用泵不能正常出力，导致压力低，无法顶开出口逆止阀。鉴于该核电厂多次出现定子冷却水泵切换失败现象，并且该现象不是个例，因此有必要对该缺陷进行原因分析，从根本上解决该缺陷，同时为发生类似缺陷的电厂提供一种解决问题的思路与方法，从而提高系统运行的可靠性。

1 定子冷却水泵切换情况

图1为某核电厂该机组定子冷却系统一用两备泵管道流体走向及某次从3号泵切换至1号泵失败情况示意图。3号泵正常切换至1号泵操作过程为：维持1号泵出口截止阀关闭，开启1号泵，待1号泵运行稳定后，缓慢开启1号泵出口截止阀，待两台泵出口流量及压力基本相同并稳定时缓慢关闭3号泵出口截止阀，后停止3号泵。在1、3号泵同时运行时，1号泵需同时克服逆止阀弹簧力与逆止阀背部压力才能将逆止阀顶开，实现两台泵之间切换。力，流量基本无变化，1号泵对系统流量贡献为0，表明1号泵出口逆止阀未被顶开；2）当单泵运行时，各泵出口压力、电流、流量均正常，满足系统运行需要；3）根据单泵的电流和流量，单泵运行的性能排序为3号泵＞1号泵＞2号泵。

图1 定子冷却系统一用两备泵管道流体走向及切换情况示意图

表1 定子冷却水泵具体切换数据

2 定子冷却水泵切换失败原因分析及处理

对定子冷却水泵进水管路布置、泵性能检查、泵出口逆止阀等可能引起泵切换失败的原因进行了全面分析，同时对逆止阀弹簧断裂原因进行了分析，明确了泵切换失败原因，并实施了相应处理措施，备用泵能正常切换。

2.1 管路布置分析

从图1中可以看出，3台泵进水管道均由1根主管道引出，并且3号泵进水管道在1、2号泵进水管道上游更靠近定子冷却水箱，怀疑3号泵可能优先抢水，引起1号泵进水流量较低，导致切换失败。该电厂1号机组与该机组管道布置方式一致，每次从3号泵均能正常切换至1号泵。某次切换数据如表2所示，根据单泵的电流和流量，单泵运行相对性能与2号机组相同：3号泵＞1号泵。并且2号机组1、2号泵入水管道布置方式一致，3号泵可正常切换至2号泵，因此可排除因泵进水管路布置不合理原因导致泵切换失败。

表2 1号机组3号泵切换至1号泵数据

2.2 定子冷却水泵性能分析

表3 3台泵单运行参数

2.3 定子冷却水泵出口逆止阀性能分析

2.3.1 逆止阀性能分析

定子冷却水泵出口逆止阀为对夹双瓣碟式逆止阀，由阀体、阀瓣、阀轴、弹簧、螺栓、垫圈构成，弹簧位于阀门背侧,泵出口逆止阀为竖直安装，弹簧朝上，当介质停止流动或倒流时，阀瓣靠自身质量、弹簧弹力作用及倒流截止作用而旋转到阀座上，起到逆止作用，如图2、图3所示。

图2 逆止阀及弹簧示意图

图3 逆止阀安装位置图

3台泵出口逆止阀解体情况如图4所示，2、3号泵出口逆止阀弹簧断裂，1号泵出口逆止阀弹簧保持完整，在3号泵单独运行时，1号泵出口逆止阀背部压力与3号泵出口压力一致，3号泵切换至1号泵时，1号泵需同时克服逆止阀弹簧力与背部压力才能将逆止阀顶开，实现3号泵切换至1号泵。在每次大修结束首次切换时，3台泵出口逆止阀弹簧均完好，3号泵均能成功切换至1号泵，当3号泵出口逆止阀弹簧断裂后无法正常切换，切换情况如表4所示，说明泵出口逆止阀性能是导致泵无法正常切换的主要原因。

表4 逆止阀弹簧断裂与泵切换情况

图4 3台泵出口逆止阀解体情况

当1号泵出口逆止阀弹簧完好，2号泵出口逆止阀弹簧断裂时，2号泵可成功切换至1号泵，2号泵性能要弱于1号泵，说明逆止阀弹簧断裂不是泵切换失败的唯一原因，2、3号泵切换至1号泵情况如图5所示。从切换情况中可以得出3号泵切换至1号泵失败的原因为1号泵出口逆止阀弹簧完好，3号泵出口逆止阀弹簧断裂，1号泵需同时克服逆止阀弹簧力及3号泵直接施加在逆止阀背部的压力，另外3号泵性能优于1号泵，两种因素叠加导致3号泵切换至1号泵失败。其中逆止阀弹簧断裂为主要原因，1号泵性能弱于3号泵为次要原因。

图5 3号泵切换至1、2号泵情况

2.3.2 逆止阀弹簧断裂原因分析[3-4]

泵正常工作流量为110 t/h，正常工作压力为0.8 MPa，流体介质为水，管道规格为DN80，逆止阀阀轴直径为8 mm，弹簧内径为19 mm，两者相差较大。当弹簧配合到阀轴上时，弹簧和阀轴之间会存在较大间隙，易于造成碰撞和磨损，如图6所示。当弹簧处于工作状态时，扭臂扭转90°，弹簧整体暴露于流体介质中。流体通过阀门时，对弹簧造成冲击，然后从2个阀瓣之间流过，如图7所示，形成湍流，可引起弹簧发生振动。逆止阀安装在冷却水泵出口管道，离泵体非常近，此部位流体湍流强度很高，管道内的湍流强度可通过雷诺数（Re）进行计算：

图6 阀轴和弹簧配合

图7 逆止阀迎水面形貌

式中，V、ρ、μ、d分别为流体的流速、流体密度、黏性系数与管道内径。

泵正常工作流量为110 t/h，换算成流速约为6.08 m/s（阀门入口内径为80 mm），常温（25℃）下黏性系数为0.8937×103N·s/m2，流体密度为1×103kg/m3。将以上数据代入公式计算得出[5]：Re=544254。

在管流中，雷诺数Re小于2100 的流动是层流，等于2100～4000时为过渡状态，大于4000时是湍流[6]。冷却水泵出口管道雷诺数Re为544 254，远大于4000，说明流体湍流非常强烈。同时，弹簧位于阀门中心，正向受到流体冲击作用，在流体扰动作用下，产生强烈的振动，导致弹簧受到交变应力的作用，引起弹簧发生疲劳断裂。宏观检查发现，弹簧表面及阀瓣表面有明显的磨损痕迹，说明振动导致弹簧交变应力的同时也引起弹簧和阀瓣及阀轴之间产生磨损。

从逆止阀弹簧断裂原因分析中得出对夹双瓣碟式逆止阀无法满足现场运行要求，需要对逆止阀结构进行改进，经过分析可将逆止阀结构改为旋启式逆止阀，如图8所示，该逆止阀弹簧在内孔一侧，可防止水流对弹簧造成直接冲击，避免因流体引发的振动而导致弹簧断裂[7]。

图8 旋启式逆止阀

2.4 处理措施

通过以上原因分析结果，可得出解决切换泵失败的措施为：1）将泵出口逆止阀由对夹弹簧式改成旋启式逆止阀；2）使3台泵性能保持一致。将3台泵出口逆止阀改为旋启式后，未出现切换失败情况，并且泵各项运行参数正常，验证了上述分析结果。

3 结语

国内某核电厂2号机组发生过多次定子冷却水泵切换失败的情况，针对该缺陷对该机组定子冷却水泵历史切换情况、系统管路布置、泵性能、出口逆止阀弹簧断裂情况进行了收集与分析，同时分析了逆止阀弹簧断裂原因，通过以上分析明确了定子冷却水泵切换失败原因，总结如下。

1）主要原因。2、3号泵出口逆止阀弹簧断裂，1号泵出口逆止阀弹簧完好，导致1号泵启动时无法克服逆止阀的弹簧力。

2）次要原因。1号泵叶轮直径相对3号泵叶轮直径偏小4 mm，1号泵性能弱于3号泵性能，导致1号泵相对出力不足，无法正常顶开逆止阀。

逆止阀弹簧断裂原因为：管道内流体的雷诺数Re=544254（大于4000为湍流），流体湍流非常强烈，弹簧位于阀门中心，正向受到流体冲击作用，在流体扰动作用下，产生强烈的振动，导致弹簧受到交变应力的作用，引起弹簧发生疲劳断裂，将逆止阀结构改为旋启式逆止阀，可有效解决弹簧断裂问题。

将3台泵出口逆止阀改为旋启式后，未出现切换失败情况，并且泵各项运行参数正常，验证了原因分析的正确性。该缺陷的原因分析及成功处理提高了核电机组运行的可靠性，并为类似一用多备泵切换失败问题研究提供了思路与方向。