核電站用球閥聚四氟乙烯閥座損壞原因分析及處理

1、概述

　　國內某核電站自商運以來(lái)，反應堆硼和水補給系統制硼罐出口隔離閥( 球閥REA180VB) 已累計發(fā)生了近10次故障，其中有3次是出口聚四氟乙烯(PTFE)閥座破碎的情況。經(jīng)調查，其他核電站同類(lèi)閥門(mén)也存在相似的故障。這是一種重發(fā)和共模事件。

2、系統配置

　　球閥(圖1) 壓力級別為150磅級，插套焊接。閥體、閥蓋和球體材料為Z2CND18-10，閥門(mén)的非金屬部件有PTFE 閥座和三元乙丙橡膠(EPDM) O形圈，閥門(mén)的設計溫度為-10 ～ 180℃。球閥作為補給系統制硼罐出口隔離閥，位于REA001TY 管線(xiàn)上(圖2)。球閥因故障解體檢查時(shí)發(fā)現，出口側閥座已經(jīng)破碎，入口側閥座的結構還比較完整(圖3)，閥座和閥體的EPDM 密封O 形圈已變形，無(wú)彈性。為了防止硼結晶，管線(xiàn)上安裝的硼加熱系統(RRB)設有正常加熱電路和應急加熱電路，以確保含硼管線(xiàn)的溫度在硼結晶溫度以上。正常和應急加熱電路電熱絲(RS)的啟動(dòng)和停止通過(guò)溫度開(kāi)關(guān)(ST)控制。正常加熱電路在溫度低于77℃ 時(shí)啟動(dòng)，高于82℃ 時(shí)停運。應急加熱電路在溫度低于72℃時(shí)啟動(dòng)，高于77℃ 時(shí)停運。當應急電路投入時(shí)，中間控制室會(huì )發(fā)出應急加熱投運報警(RRB301AA)。此外，REA001TY管線(xiàn)有獨立的測量通道(RRB001MT)進(jìn)行溫度監測。加熱系統的傳感器安裝在球閥上游，設計上是以該位置的溫度值控制正常和應急電路的啟動(dòng)和停止。

1.O 形圈 2.閥座 3.閥芯 4.閥體

圖1 球閥

　　電熱絲型號為2-A-08-I，長(cháng)度4.7m，電阻為21.1Ω，電流為4.16A，電壓為72V，功率為245W±15%。導熱材料為多飛特合金(TOPHET)，包殼材料為不銹鋼，設計的最高工作溫度為600℃；理論計算得出20℃下電熱絲的最高溫度為225℃。REA001TY 管線(xiàn)上只有止回閥到制硼罐之間裝有保溫，保溫內的管線(xiàn)和閥門(mén)纏有電熱絲。相關(guān)管道的直徑均為2in.(50 8mm) ，壁厚為2.77mm，材料為L(cháng)304。

圖2 與球閥相關(guān)設備布置

3、現場(chǎng)溫度

　　球閥出現故障以后，首先對其相關(guān)管線(xiàn)的溫度進(jìn)行調查，包括測量通道溫度和閥門(mén)維修后的現場(chǎng)溫度測量跟蹤。

3.1、測量通道溫度

　　從電站集中數據處理系統(KIT)查詢(xún)的測量通道連續1 年的管線(xiàn)溫度變化情況(圖4) 可知，無(wú)論是無(wú)制硼操作或制硼操作期間均沒(méi)有發(fā)現溫度超過(guò)80℃的情況。無(wú)制硼操作期間(罐中為除鹽水)，測量通道的溫度在72℃左右，制硼期間(罐中為含硼水) ，測量通道的溫度升降變化明顯。這是因為每一次傳硼結束后，都要補充溫度較低的除鹽水，所以制硼罐內溫度下降較快，而后由于水箱內加熱器的投運，溫度較快回升。

　　由于傳硼期間，測量通道測得的最低溫度大部分低于60℃，低于應急回路的啟動(dòng)溫度72℃時(shí)，因此應出現應急加熱投運報警，但運行操作記錄中沒(méi)有報警記錄�，F場(chǎng)確認報警盤(pán)燈無(wú)異常，是調試期間應急報警信號線(xiàn)接反，導致整個(gè)加熱系統應急報警無(wú)法發(fā)出。

(a) 出口側(b) 入口側

圖3 損壞的PTFE 閥座密封件

圖4 測量通道溫度變化情況

3.2、維修后現場(chǎng)溫度

　　球閥檢修后兩端的溫度相差很大(表1)，下游端的溫度在沒(méi)有安裝保溫的情況下已經(jīng)接近閥門(mén)的最高設計溫度180℃(圖5) 。但測量通道中從來(lái)沒(méi)有顯示出管線(xiàn)溫度超過(guò)100℃的情況。分析確定，因為測量通道安裝在球閥的上游，而制硼罐通常都充有除鹽水( 約1.5m3 ) ，且通大氣，所以球閥上游的實(shí)際溫度不能超過(guò)100℃。測量通道的監測記錄表明，測點(diǎn)位置的溫度均小于80℃。入口側的溫度為80.6℃，僅比制硼罐水箱的水溫高約10℃。

表1 球閥檢修后溫度℃

4、原因分析

4.1、出口閥座溫度超高

　　PTFE一般使用溫度-200 ～ 260℃。熔融溫度為327℃，溫度過(guò)高(390℃以上) 會(huì )加速PTFE的分解。從閥座破碎分析，出口閥座的溫度至少達到了熔融溫度，才能出現“燒結”狀破碎。電站集中數據處理系統查詢(xún)結果表明，無(wú)制硼操作期間測量通道測得的溫度72 ～ 80℃。這個(gè)溫度范圍內，管線(xiàn)有一個(gè)加熱電路(正�；驊�急) 在運行，即存在一個(gè)持續的熱源。由于有持續的熱源，就會(huì )有2種可能的故障模式導致球閥出口閥座密封件溫度超過(guò)180℃。

圖5 檢修后球閥溫度測點(diǎn)的位置

　　(1) 第1 種情況

　　球閥下游管線(xiàn)未充滿(mǎn)水，導致球閥出口閥座密封件與其下游管線(xiàn)處于干燒狀態(tài)。傳熱學(xué)計算表明，絕熱情況下，正常電熱絲把制硼罐1. 5m3 水的溫度由25℃升高到82℃而退出運行需要3.65 天。而若球閥與止回閥之間無(wú)水，無(wú)水管線(xiàn)由25℃達到電熱絲最高溫度225℃的時(shí)間僅為0.78h。實(shí)際在沒(méi)有保溫的情況下，閥門(mén)出口側的最高溫度已達177℃，說(shuō)明了閥座出口密封件在管線(xiàn)未充滿(mǎn)水的情況下，其超過(guò)設計溫度的可能性很高。

　　(2) 第2 種情況

　　球閥下游管線(xiàn)充滿(mǎn)水，球閥與下游3 個(gè)隔離閥之間的管線(xiàn)形成了一密閉空間。理論上，在電熱絲的不斷加熱下，密閉空間的溫度、壓力將上升，這類(lèi)似于閥門(mén)的鍋爐效應。但實(shí)際情況，由于電熱絲只是在水上部加熱，不會(huì )發(fā)生水的對流傳熱，只通過(guò)熱傳導傳熱。密閉空間內，球閥下游有保溫的管線(xiàn)長(cháng)度為2750m，無(wú)保溫的管線(xiàn)總長(cháng)度為13088m，兩者的體積相差約4 倍，即散熱比加熱面積大4 倍。因此，良好的散熱使得發(fā)生鍋爐效應的可能性很小。經(jīng)過(guò)分析，在存在持續熱源的情況下，若球閥下游未充滿(mǎn)水，閥座出口密封件的溫度超過(guò)設計溫度而破損的可能性很高。

4.2、球閥下游充水問(wèn)題

　　( 1) 傳硼操作的影響

　　制硼罐傳硼方式有動(dòng)力傳硼和重力傳硼2 種。對于重力傳硼，其是依靠重力盡可能將制硼罐中的溶液傳送到貯存罐，以避免將殘余配料排向核島的排氣和疏水系統(RPE)。在這種情況下，必須降低相應貯存罐中氮氣履蓋層的壓力，但壓力不能低于0.02MPa。從設備位置上看，球閥標高為13.55m，比接收罐的最高液位13.12m 高0.43m，但接收罐內0.02MPa 的氮氣壓力可以使001TY 管線(xiàn)的液位超過(guò)球閥。對于動(dòng)力傳硼，其是用硼酸泵將制硼罐中的溶液傳送到貯存罐，以避免排去貯存罐的氮氣履蓋層。為防止氣蝕，硼酸泵保護跳泵時(shí)，制硼罐約剩20%的溶液。所以，不管采用那種方式傳硼，根據現有的規程要求和系統設計，球閥下游都應該是滿(mǎn)水的。

　　(2) 設備解體檢修的影響

　　根據電廠(chǎng)的工作流程，為了防止硼結晶，相關(guān)設備投運前，首先是電熱絲和保溫的回裝，電熱絲送電，最后才是設備充水排氣。因此球閥檢修后，投運電熱絲后到充水排氣操作這個(gè)期間，球閥下游管線(xiàn)是未充滿(mǎn)水的狀態(tài)。另外，球閥檢修后的解除隔離操作指令，沒(méi)有對管線(xiàn)充水排氣的要求。

　　(3) 接收罐隔離閥泄漏

　　由于接收罐內的氮氣壓力大于0.02MPa，因此即便儲存罐隔離閥泄漏，球閥下游都應該是滿(mǎn)水的�？紤]各種情況，球閥解體檢查重新啟用時(shí)，下游管線(xiàn)將有一段時(shí)間未充滿(mǎn)水。

4.3、閥座損壞時(shí)間

　　根據分析，閥門(mén)超設計溫度發(fā)生在電熱絲送電后至球閥第1 次使用前。一般系統檢修完成從解除隔離到完成傳硼約14h。除去制硼時(shí)間、化驗時(shí)間、在線(xiàn)時(shí)間和傳硼時(shí)間，檢修完畢到開(kāi)始第一次傳硼的時(shí)間間隔約10h。因此可以推測，在閥門(mén)下游無(wú)水的情況下，PTFE 閥座可能在10h 以?xún)劝l(fā)生破碎失效。當出口閥座破碎后，閥門(mén)出現了內漏，管線(xiàn)處于滿(mǎn)水狀態(tài)，因此管線(xiàn)的溫度將低于閥門(mén)設計溫度。球閥內漏是不容易發(fā)現的，因為其下游還有常關(guān)的隔離閥，且制硼罐的液位顯示精度不高，即便閥門(mén)發(fā)生內漏使下游管線(xiàn)充滿(mǎn)水，制硼罐的液位下降也很少，儀表顯示不出變化。隨著(zhù)后續的運行操作，閥門(mén)將發(fā)生外漏。

4.4、分析

　　從閥門(mén)出口閥座破碎的事件和原因分析(圖6) ，造成出口PTEF閥座破損的直接原因是閥門(mén)下游管線(xiàn)的溫度超過(guò)閥門(mén)設計溫度，根本原因是溫度開(kāi)關(guān)的設計位置存在缺陷，導致電熱絲不能及時(shí)退出。同時(shí)，程序要求不明確，管線(xiàn)溫度監測的缺失是重要的促成因素。

圖6 球閥出口PTFE閥座破碎的事件和原因因素圖

5、改進(jìn)

　　現場(chǎng)通過(guò)改造流程將溫度開(kāi)關(guān)組件裝在球閥與止回閥之間的管道內，靠近球閥出口，這樣，即便發(fā)生管線(xiàn)未充滿(mǎn)水的情況，也能正確控制001TY 管線(xiàn)加熱器的啟停，防止溫度超過(guò)設計溫度，避免出現閥座密封件發(fā)生破碎的情況。改進(jìn)完后的溫度測量結果表明達到了預期結果(表2)，管線(xiàn)溫度監測的功能也恢復了正常。

表2 糾正措施后的球閥溫度測量情況℃

6、結語(yǔ)

　　使用根本原因分析方法現已經(jīng)成為電站故障分析的一個(gè)基本要求。一個(gè)設備的故障，原因是多方面的。很多時(shí)候，設備問(wèn)題的原因很容易簡(jiǎn)單地歸結為設備選型不當，期望通過(guò)設備換型來(lái)解決設備問(wèn)題。例如本事件，電站也是可以通過(guò)選擇一種工作溫度更高的球閥或者其他類(lèi)型的閥門(mén)來(lái)解決該問(wèn)題，但這種解決辦法很可能帶來(lái)其他的問(wèn)題。通過(guò)根本原因分析后，僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的調整溫度開(kāi)關(guān)組件的位置，就解決了這個(gè)電廠(chǎng)長(cháng)期存在的問(wèn)題，代價(jià)很小且沒(méi)有潛在的風(fēng)險。因此，運用一些根本原因分析的方法，找到事件的根本原因，才能有針對性的制定糾正措施，避免事件的重復發(fā)生。