核电厂凝结水主调节阀阀杆断裂的原因分析及改进措施

章鹏华，孙永信

核电厂凝结水主调节阀阀杆断裂的原因分析及改进措施

章鹏华，孙永信

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

核电厂凝结水主调节阀作为关键敏感设备，阀门故障将引起机组功率扰动甚至停机停堆。本文结合某核电厂凝结水主调节阀阀杆断裂造成降功率事件，通过对事件的概述及从阀门长期存在振动高、定位销位置不合理等方面进行原因分析，针对性地提出优化措施并实施，为同类型电站的阀门故障排除和改进处理提供了有效参考。

调节阀；阀杆断裂；振动；定位销；应力集中

1　研究背景

1.1　基本概况

核电机组凝结水抽取系统（简称CEX）是机组二回路的重要系统，主要负责收集和冷却所有蒸汽流和各种疏水，提供充足的凝结水储存能力，并向除氧器提供所需的凝结水。凝结水抽取系统上设有一个凝结水流量控制站，主要由一个凝结水主调节阀（简称CEX025VL）、一个凝结水副调节阀（简称CEX026VL）及一个凝结水旁路蝶阀（简称CEX011VL）并列组成并实现流量控制。CEX025VL作为SPV设备[1]，阀门故障将引起机组功率扰动甚至停机停堆。因此，CEX025VL的可靠性直接影响机组的安全稳定运行。

1.2　故障事件概述

2020年10月25日18：38，某核电机组主控室控制盘面显示凝结水流量快速下降且产生低报警，汽机功率瞬时上升，除氧器系统液位持续下降且产生低报警，但此时CEX025VL阀门开度却由48%迅速上升至100%并保持，分析认为CEX025VL阀门调节功能失效。后排查故障原因为CEX025VL阀杆断裂导致阀门突然关闭。

2 原因分析

该断裂阀杆于2020年2月15日服役使用，累计使用约8个月。对CEX025VL解体检查，从断裂部位宏观形貌可见，断裂位于阀杆和阀芯旋合的第一圈螺纹处，如图1所示。分析认为阀门长期存在振动高、定位销孔位置不合理是造成断裂的可能因素。

图1　阀杆断裂局部图

2.1　阀门长期振动高

该机组运行期间，CEX025VL存在阀门振动高及阀杆窜动频繁的问题。据现场勘测，CEX025VL阀门所在管道刚性支架点布置合理，管系自身刚度较大，同时阀门管线已布置刚性支撑，因此说明支撑不足不是阀门振动的原因。

2.1.1气蚀

闪蒸和气蚀既会导致调节阀流通能力减弱，又会产生噪声、振动等问题，同时对阀门材料造成一定程度的破坏[2,3]。

图2　CEX025VL阀门外观图

图2为CEX025VL阀门外观图，满功率运行期间，CEX025VL阀门运行的主要参数如表1所示，此时介质温度约为34 ℃。

表1　CEX025VL阀门主要参数

不可压缩流体流动符合一维等熵的定常流条件，其连续性方程[4]为：

式中：1和2——流体在截面1和截面2的平均流速，m/s；

1和2——截面1和截面2的截面积，m2；

——单位时间内流量，t/h。

可计算得到1和2处的流速：

根据伯努利方程，忽略在阀后管线扩张段的能量损失，可以得到截面1和截面2的守恒方程：

由此根据截面2处的压力2，可以计算截面1处的压力1：

根据CEX025VL阀门曲线图3可知，在开度为45%时，阀门对应值为1 250。

式中：

2.1.2流速

综上，高流速导致阀门长期存在振动高及阀芯阀杆组件扰动是阀杆断裂的促成原因。

2.2　定位销位置不合理

阀轴上的定位销孔会对阀杆原有强度造成一定影响。图4为定位销所在位置，阀杆与阀芯通过螺纹连接，同时打入一个垂直销（定位销打入阀杆深度约6 mm）。尽管从外侧看，定位销孔位于台阶的中间位置，但实际上该定位销位于阀芯阀杆的第一圈螺纹啮合处。阀杆断裂位置也正是该处，如图5所示为断裂阀杆的断口形貌图，断口边缘可见多处裂纹局部扩展区域（A区、B区、E区），其中A区为定位销孔处、B区对应阀门入口、E区对应阀门出口。

图4　CEX025VL定位销位置图

定位销削减了阀杆强度，阀门长期振动高及阀芯阀杆组件高频扰动加速了阀杆疲劳断裂，具体分析如下：

图5　CEX025VL阀杆断面形貌图

机组满功率运行期间，阀笼附近的高速流及漩涡流对阀芯产生冲击，形成一个正向拉力和压力，其中图5中的B区和E区分别对应阀门入口和出口，此处拉压力最大。

A区靠近B区，也存在较大的周期性拉压力。同时A区为第一圈螺纹啮合和定位销孔的交汇处，根据旋合螺纹间的载荷分布，约有1/3的载荷集中在螺纹第一圈上[6]。因此，定位销孔应力集中对第一圈螺纹强度降低有较大影响。上述两个因素叠加导致A区易萌生疲劳裂纹，A区裂纹至B区后进一步扩展，最终导致阀杆断裂。

综上，定位销的位置选择不合理是阀芯脱落的根本原因。

通过对可能因素的深入分析，确定了因长期存在流速过高导致阀门振动及阀芯扰动的情况，同时定位销位置不合理，最终导致阀杆断裂。

3 改进策略

3.1　阀笼结构优化

针对流速过快导致阀门振动高问题，已通过优化阀笼结构来改进，具体采用了打孔阀笼和增加了阀门100%的额定行程。结构优化有效扩大了流通面积和降低了流速，改善阀门节流后的流体状态，起稳流作用。

3.2　定位销重新定位

定位销的位置已避开阀芯阀杆的第一圈螺纹，将其固定在第五圈螺纹处。计算可知阀杆在第五圈螺纹所受的轴向力约为第一圈的20%，因此同样销孔的应力，改进后的定位销对阀杆的影响程度显著降低。

通过上述结构优化，截止目前该阀门已稳定运行9个多月，效果良好。其中阀门振动值下降约3.3 mm/s，阀位波动幅值也有效下降，以某连续30分钟内阀门开度值为例，阀位幅值由2.5%波动下降为1.2%波动，1.2%波动属于正常波动。

4 结束语

调节阀阀杆断裂的缺陷模式复杂，本文根据缺陷的表现形式逐一进行故障排查与原因分析，并针对性地提出改进措施。相应举措实施后取得了很大的成效，有效地提高了阀门的可靠性与系统的稳定性。这一过程呈现了此类调节阀故障分析的大体过程，为同类型问题的分析和决策提供一定的借鉴意义。

［1］ 高立刚，王宗军，戴忠华．大亚湾核电站设备管理体系创新［J］．工业工程与管理，2006，11（1），100-103.

［2］ 龚龙鹰，刘传君，等．控制阀实用手册［M］．北京：化学工业出版社，2015.6.

［3］ 明赐东．调节阀计算选型使用［M］．成都：成都科技大学出版社，2014.11.

［4］ 杨有涛．流体力学理论在流量计量中的应用［J］．工业计量，2008（18）：16-19.

［5］ 张铭刻．核电站凝结水旁路调节阀振动大的原因分析与对策［J］．中国核电，2019（4）：405-409.

［6］ 濮良贵，纪名刚．机械设计［M］．北京：高等教育出版社，2010.3.

Cause Analysis of the Stem Break of Condensate Control Valve and Improvement Measures

ZHANG Penghua，SUN Yongxin

（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China）

As a SPV equipment，failures of condensate control valve in the nuclear power plant will cause power decrease or even reactor shutdown.This paper reviews the stem break of condensate control valve event and analyzes the reasons from the valve´s long-term high vibration and the unreasonable design of the locating pin.Correspondingly，optimization measures are proposed and implemented，which provides a reference for valve troubleshooting and improvement of the same type valve.

Control valve；Stem break；Vibration；Locating pin；Stress concentration

TL63

A

0258-0918（2022）01-0136-05

2021-09-30

章鹏华（1990—），男，浙江杭州人，工程师，工学硕士，现主要从事核电厂设备管理和研究