核電站用球閥聚四氟乙烯閥座損壞原因分析及處理

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(nèi)某核電站自商運以來，反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)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(diào)查，其他核電站同類閥門也存在相似的故障。這是一種重發(fā)和共模事件。2、系統(tǒng)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，閥門的非金屬部件有PTFE閥座和三元乙丙橡膠(EPDM)O形圈，閥門的設(shè)計溫度為-10～180℃。球閥作為補給系統(tǒng)制硼罐出口隔離閥，位于REA001TY管線上(圖2)。球閥因故障解體檢查時發(fā)現(xiàn)，出口側(cè)閥座已經(jīng)破碎，入口側(cè)閥座的構(gòu)造還比較完整(圖3)，閥座和閥體的EPDM密封O形圈已變形，無彈性。為了防止硼結(jié)晶，管線上安裝的硼加熱系統(tǒng)(RRB)設(shè)有正常加熱電路和應(yīng)急加熱電路，以確保含硼管線的溫度在硼結(jié)晶溫度以上。正常和應(yīng)急加熱電路電熱絲(RS)的啟動和停止通過溫度開關(guān)(ST)控制。正常加熱電路在溫度低于77℃時啟動，高于82℃時停運。應(yīng)急加熱電路在溫度低于72℃時啟動，高于77℃時停運。當應(yīng)急電路投入時，中間控制室會發(fā)出應(yīng)急加熱投運報警(RRB301AA)。此外，REA001TY管線有獨立的測量通道(RRB001MT)開展溫度監(jiān)測。加熱系統(tǒng)的傳感器安裝在球閥上游，設(shè)計上是以該位置的溫度值控制正常和應(yīng)急電路的啟動和停止。

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(shè)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管線上只有止回閥到制硼罐之間裝有保溫，保溫內(nèi)的管線和閥門纏有電熱絲。相關(guān)管道的直徑均為2in.(508mm)，壁厚為2.77mm，材料為L304。

圖2與球閥相關(guān)設(shè)備布置3、現(xiàn)場溫度

球閥出現(xiàn)故障以后，首先對其相關(guān)管線的溫度開展調(diào)查，包括測量通道溫度和閥門維修后的現(xiàn)場溫度測量跟蹤。

3.1、測量通道溫度

從電站集中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(KIT)查詢的測量通道連續(xù)1年的管線溫度變化情況(圖4)可知，無論是無制硼操作或制硼操作期間均沒有發(fā)現(xiàn)溫度超過80℃的情況。無制硼操作期間(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(jié)束后，都要補充溫度較低的除鹽水，所以制硼罐內(nèi)溫度下降較快，而后由于水箱內(nèi)加熱器的投運，溫度較快上升。

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(yīng)急回路的啟動溫度72℃時，因此應(yīng)出現(xiàn)應(yīng)急加熱投運報警，但運行操作記錄中沒有報警記錄?，F(xiàn)場確認報警盤燈無異常，是調(diào)試期間應(yīng)急報警信號線接反，導致整個加熱系統(tǒng)應(yīng)急報警無法發(fā)出。

(a)出口側(cè)(b)入口側(cè)

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(xiàn)場溫度

球閥檢修后兩端的溫度相差很大(表1)，下游端的溫度在沒有安裝保溫的情況下已經(jīng)接近閥門的最高設(shè)計溫度180℃(圖5)。但測量通道中從來沒有顯示出管線溫度超過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，所以球閥上游的實際溫度不能超過100℃。測量通道的監(jiān)測記錄說明，測點位置的溫度均小于80℃。入口側(cè)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℃，溫度過高(390℃以上)會加速PTFE的分解。從閥座破碎分析，出口閥座的溫度至少到達了熔融溫度，才能出現(xiàn)“燒結(jié)”狀破碎。電站集中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)查詢結(jié)果說明，無制硼操作期間測量通道測得的溫度72～80℃。這個溫度范圍內(nèi)，管線有一個加熱電路(正?；驊?yīng)急)在運行，即存在一個持續(xù)的熱源。由于有持續(xù)的熱源，就會有2種可能的故障模式導致球閥出口閥座密封件溫度超過180℃。

圖5檢修后球閥溫度測點的位置

(1)第1種情況

球閥下游管線未充滿水，導致球閥出口閥座密封件與其下游管線處于干燒狀態(tài)。傳熱學計算說明，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水，無水管線由25℃到達電熱絲最高溫度225℃的時間僅為0.78h。實際在沒有保溫的情況下，閥門出口側(cè)的最高溫度已達177℃，說明了閥座出口密封件在管線未充滿水的情況下，其超過設(shè)計溫度的可能性很高。

(2)第2種情況

球閥下游管線充滿水，球閥與下游3個隔離閥之間的管線形成了一密閉空間。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，這類似于閥門的鍋爐效應(yīng)。但實際情況，由于電熱絲只是在水上部加熱，不會發(fā)生水的對流傳熱，只通過熱傳導傳熱。密閉空間內(nèi)，球閥下游有保溫的管線長度為2750m，無保溫的管線總長度為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(yīng)的可能性很小。經(jīng)過分析，在存在持續(xù)熱源的情況下，若球閥下游未充滿水，閥座出口密封件的溫度超過設(shè)計溫度而破損的可能性很高。

4.2、球閥下游充水問題

(1)傳硼操作的影響

制硼罐傳硼方式有動力傳硼和重力傳硼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，以防止將殘余配料排向核島的排氣和疏水系統(tǒng)(RPE)。在這種情況下，必須降低相應(yīng)貯存罐中氮氣履蓋層的壓力，但壓力不能低于0.02MPa。從設(shè)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(nèi)0.02MPa的氮氣壓力可以使001TY管線的液位超過球閥。對于動力傳硼，其是用硼酸泵將制硼罐中的溶液傳送到貯存罐，以防止排去貯存罐的氮氣履蓋層。為防止氣蝕，硼酸泵保護跳泵時，制硼罐約剩20%的溶液。所以，不管采用那種方式傳硼，根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)程要求和系統(tǒng)設(shè)計，球閥下游都應(yīng)該是滿水的。

(2)設(shè)備解體檢修的影響

根據(jù)電廠的工作流程，為了防止硼結(jié)晶，相關(guān)設(shè)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(shè)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期間，球閥下游管線是未充滿水的狀態(tài)。另外，球閥檢修后的解除隔離操作指令，沒有對管線充水排氣的要求。

(3)接收罐隔離閥泄漏

由于接收罐內(nèi)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(yīng)該是滿水的?？紤]各種情況，球閥解體檢查重新啟用時，下游管線將有一段時間未充滿水。

4.3、閥座損壞時間

根據(jù)分析，閥門超設(shè)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(tǒng)檢修完成從解除隔離到完成傳硼約14h。除去制硼時間、化驗時間、在線時間和傳硼時間，檢修完畢到開始第一次傳硼的時間間隔約10h。因此可以推測，在閥門下游無水的情況下，PTFE閥座可能在10h以內(nèi)發(fā)生破碎失效。當出口閥座破碎后，閥門出現(xiàn)了內(nèi)漏，管線處于滿水狀態(tài)，因此管線的溫度將低于閥門設(shè)計溫度。球閥內(nèi)漏是不容易發(fā)現(xiàn)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，即便閥門發(fā)生內(nèi)漏使下游管線充滿水，制硼罐的液位下降也很少，儀表顯示不出變化。隨著后續(xù)的運行操作，閥門將發(fā)生外漏。

4.4、分析

從閥門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下游管線的溫度超過閥門設(shè)計溫度，根本原因是溫度開關(guān)的設(shè)計位置存在缺陷，導致電熱絲不能及時退出。同時，程序要求不明確，管線溫度監(jiān)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、改良

現(xiàn)場通過改造流程將溫度開關(guān)組件裝在球閥與止回閥之間的管道內(nèi)，靠近球閥出口，這樣，即便發(fā)生管線未充滿水的情況，也能正確控制001TY管線加熱器的啟停，防止溫度超過設(shè)計溫度，防止出現(xiàn)閥座密封件發(fā)生破碎的情況。改良完后的溫度測量結(jié)果說明到達了預(yù)期結(jié)果(表2)，管線溫度監(jiān)測的功能也恢復(fù)了正常。

表2糾正措施后的球閥溫度測量情況℃6、結(jié)語

使用根本原因分析方法現(xiàn)已經(jīng)成為電站故障分析的一個基本要求。一個設(shè)備的故障，原因是多方面的。很多時候，設(shè)備問題的原因很容易簡單地歸結(jié)為