機(jī)械工程師MECHANICAL ENGINEER蒸汽疏水管道金屬硬密封氣動q341f.com/' target='_blank'>球閥故障原因分析及處理劉少偉(中核運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300)摘要：某核電廠二回路蒸汽疏水系統(tǒng)管路上，金屬硬密封氣動球溷在機(jī)組運(yùn)行多年后發(fā)生了閥體沖蝕、閥后管道管壁減薄現(xiàn)象，最終導(dǎo)致管道穿孔后高溫蒸汽泄漏。文中通過對故障閥門及管道的多方位分析，找出閥門故障出現(xiàn)的根本原因，并針對性地提出了相應(yīng)的后續(xù)建議，提高了核電機(jī)組--ra路閥門運(yùn)行的可靠性，對于同類型金屬材質(zhì)硬密封閥門的預(yù)防性維修工作具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：金屬硬密封：球閥：故障中圖分類號：TH 623 7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1002—2333(2016)08-0288-03O引 言蒸汽疏水系統(tǒng)作為核電廠二回路一個重要的輔助系統(tǒng)，其主要目的和功能是防止凝結(jié)水在蒸汽管道中聚集，將汽輪機(jī)中的水浸入和超壓的可能減到最小，同時保護(hù)蒸汽管道系統(tǒng)，防止發(fā)生侵蝕和水錘現(xiàn)象。系統(tǒng)接受各蒸汽管道的低位疏水袋內(nèi)的凝結(jié)水，經(jīng)氣動疏水閥匯集到疏水集管或直接排向凝汽器。在機(jī)組啟動過程中，一旦凝汽器真空已經(jīng)建立，主蒸汽母管疏水將直接排至凝汽器內(nèi)，凝汽器內(nèi)需保持真空負(fù)壓的有效。

一旦大口徑蒸汽疏水閥門出現(xiàn)故障需要隔離維修時，凝汽器需要破真空，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的隱患。2014年電廠2}}機(jī)組正處于大修結(jié)束后期啟機(jī)階段，主蒸汽母管至凝汽器疏水閥2—45210一PV41 15動作時，發(fā)現(xiàn)閥后所在管線有蒸汽外漏，呈噴射狀(如圖1所示)，機(jī)組被迫將主蒸汽母管疏水由凝汽器切換至大氣。2012年電廠l#機(jī)組大修期間在執(zhí)行蒸汽疏水閥門預(yù)防性維修解體工作時，檢查發(fā)現(xiàn)1--45210一PV4107閥門閥芯及閥座部件、閥后碳鋼管道沖蝕嚴(yán)重(如圖2、圖3所示)，不得不進(jìn)行整閥及閥后部分管道的更換。圖1蒸汽疏水閥后管道砂眼蒸圖2沖蝕嚴(yán)重的閥球汽噴射1閥門及系統(tǒng)功能簡介電廠二回路熱循環(huán)系統(tǒng)疏水管道配有氣動疏水閥，將疏水引向一個公用的汽輪機(jī)高壓集管，將疏水排放到凝汽器中。該閥門主要受上游疏水袋液位開關(guān)控制，隨著疏水袋內(nèi)液位升高，觸發(fā)液位開關(guān)動作，在向主控室發(fā)出CI報警的同時氣動疏水閥自動打開進(jìn)行排水，在液位恢復(fù)后，經(jīng)延時繼電器設(shè)定開啟時間后自動關(guān)閉。疏水袋布置在較低的疏水點(diǎn)，用于收集冷凝水。二回路蒸汽疏水閥等由于溫度較高，動作較為頻繁，采用氣動硬密封球閥。受系統(tǒng)溫度限制，不能使用聚四氟乙烯等非金屬閥座，而采用了金屬閥座的硬密封形式，其閥球和閥座超音速噴涂了硬質(zhì)合金，硬度比普通的堆焊層高，同時閥球的硬度高于閥座的硬度。

該類球閥結(jié)構(gòu)上屬于浮動兩片式，進(jìn)口側(cè)閥座密封，中法蘭的預(yù)緊力提供初始填料密封力，并靠進(jìn)口側(cè)閥座底的蝶簧保持密封力。該球閥口徑從1．5-4 in不等，壓力等級為CL600與管道下游的連接方式為對接焊，屬氣動兩位開關(guān)閥，氣缸為帶手輪操作裝置的彈簧復(fù)位式單作用活塞式氣缸，如圖4～圖5所示。2閥后自帶不銹鋼管道沖蝕情況蒸汽疏水球閥在安裝時本身自帶一段管道，以閥后288 l 2016年第8期網(wǎng)址．wwW．jxgcs．corn電郵：hrbengineer@163．com萬方數(shù)據(jù)機(jī)械工程師lIIII IIIIl MECHANICAL ENGINEER管線砂眼的PV41 15為例其材質(zhì)為ASTM A182等級F22高溫鍛造鉻鉬不銹鋼，焊接管道為ASTM A106B高溫作業(yè)用碳素鋼無縫鋼管。本次發(fā)現(xiàn)泄漏的部位并非位于系統(tǒng)碳鋼管道上，而是在閥門自帶的不銹鋼管段。閥后自帶管段壁厚測量方式如圖6所示。利用超聲波測厚儀(型號26MG，儀器精度±0．1mm)對閥后不同材質(zhì)管道進(jìn)行逐點(diǎn)測厚，如表l所示。表1壁厚測量結(jié)果mm測點(diǎn)l 2 3 4A 15．6 8．0 6．3 6．O曰 16．1 8．4 6．4 6．3C 9．3 8．2 6．3 6．5D 16．0 8．3 6．2 6．0根據(jù)表1測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不銹鋼管段A3區(qū)域測厚數(shù)據(jù)發(fā)生了異常減薄，而焊縫后的碳鋼管段未見明顯管壁減薄現(xiàn)象。

其他區(qū)域壁厚分布無明顯規(guī)律性。隨即對漏點(diǎn)區(qū)域(長度為閥門法蘭至管道變徑處，寬度為管道底部中心向兩側(cè)延伸各450位置)進(jìn)行擴(kuò)大檢查。從表2數(shù)據(jù)可以看出，閥后直管段漏點(diǎn)附近數(shù)據(jù)測量值為9．0—9．3 mm之間，對其進(jìn)行擴(kuò)大檢測，發(fā)現(xiàn)管道底部一整片區(qū)域數(shù)據(jù)異常，區(qū)域內(nèi)部分位置超聲波測厚儀無法獲得反射數(shù)據(jù)，可測得數(shù)據(jù)在9．0～1 2．2 mm之間。3閥后延伸碳鋼管道沖蝕情況以PV4107為例，閥后自帶管道材質(zhì)與PV41 15一致，延伸管道管線材質(zhì)為ASTM 105碳鋼公稱外徑為48．26縫位置后50 mm開始大部分Ⅸ域逐漸發(fā)生了減?。畋?！贅觢；fTI 2。00*‘+fr。lf．1、!．。礦、絢-u o}霸蕊 l-4々{￡o樣品I 500x’J，‘一j_f：：I‘q處僅為2 mm，發(fā)生在閥后約4～6倍管徑處，詳見圖9。對閥后管道進(jìn)行剖開目視觀察，管內(nèi)表面形貌具有明顯的溝槽狀。進(jìn)一步對管內(nèi)表面進(jìn)行宏／微觀分析，樣品1處宏觀可見明顯的溝槽，高倍下溝槽底部呈現(xiàn)明顯的沖刷腐蝕形貌帶手動氣動硬密封球閥，宏觀上有條狀“水線”痕跡，高倍下(200x、500x)觀察可發(fā)現(xiàn)，此“水線”實(shí)為沿流速方向沖刷的小凹坑。其他沖蝕減薄部位形貌與樣品1處基本相似，均為沿流體方向的線狀沖刷凹坑。

該凹坑現(xiàn)直接導(dǎo)致管道壁厚的減薄直至腐蝕穿孔。綜上所述，蒸汽疏水氣動球閥閥后的管道管壁減薄情況，不僅僅出現(xiàn)在閥門自帶不銹鋼部分，其延伸的碳鋼管道也會出現(xiàn)不同情況的管壁減薄情況。對于大口徑4 in閥門，其閥后管道壁厚的減薄集中出現(xiàn)與底部兩俱1]45。區(qū)網(wǎng)址：W、^DA／．jxgcs．corn電郵：hrbengineer@163．com2016年第8期l 289。一伽％拍"一牌 ÷薹旦滯。一如弛拋撕一棚，一撕拈拍加一枷寸|¨弛貓?zhí)m扎一～一～～～一～一一一一～～～一一秈萬方數(shù)據(jù)機(jī)械工程師MECHANICAL ENGINEER域，小口徑管道則呈現(xiàn)出整個環(huán)狀管壁減薄。采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(IcP)對減薄管段4管壁減薄原因分析化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示?；w化學(xué)成分符合4．，化學(xué)成分及金相分析ASTM A182／A1051撼分要求。表4減薄管段化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)％從樣件的化學(xué)成分可以看出，不論是閥后自帶不銹鋼管段還是與系統(tǒng)接口的碳鋼管道，其化學(xué)元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除自身材質(zhì)問題。4．2閥后管壁減薄原因分析4．2．1流速對管壁減薄影響蒸汽疏水管道在機(jī)組正常運(yùn)行期間其閥門本體測得溫度在100。

C以上，若閥門不出現(xiàn)內(nèi)漏則閥后管道溫度與閥前會存在明顯的差異。閥前內(nèi)介質(zhì)為汽水兩相流，本文中出現(xiàn)的閥后管道嚴(yán)重沖刷腐蝕，其實(shí)質(zhì)為汽水兩相流體和金屬表面的相對運(yùn)動而引起金屬的加速破壞現(xiàn)象。一般來說隨流速增大，腐蝕速度隨之增大。開始在一定的流速范圍內(nèi)，腐蝕速度隨之緩慢增大，當(dāng)流速達(dá)到某臨界時，腐蝕急劇上升。在高流速條件下，不僅均勻腐蝕隨之嚴(yán)重，而且出現(xiàn)的局部腐蝕也隨之嚴(yán)重。當(dāng)流體速度增大到“剝離速度”以上，表面的剪切應(yīng)力大到可以撕裂或剝離保護(hù)性氧化膜，此時腐蝕過程變?yōu)槟ノg過程。4．2．2流速分析以文中提及的PV4107為例，查閱給水加熱和抽汽系統(tǒng)手冊，PV4107閥前疏水袋溫度約為170"(2，壓力約為1．2MPa，閥后壓力約0．01 MPa(表壓，考慮閥后管線至凝汽器的管阻壓降)，查閱水一水蒸氣熱力性質(zhì)表，閥前流體密度為897 ks／m3。在這種情況下，只要閥門略有節(jié)流降壓，流體就會發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生該壓力下的飽和水以及飽和汽。查閱水的飽和蒸汽壓表，1．2 MPa對應(yīng)的飽和溫度為187。C，因此閥前過冷度為l 7℃。根據(jù)Spirax sarco閃蒸蒸汽計(jì)算軟件，求得冷凝水經(jīng)過PV4107閥后，約產(chǎn)生13．7％(質(zhì)量百分比)的蒸汽。

查閱水一水蒸氣熱力性質(zhì)表，0．01 MPa壓力下，飽和液密度989 kg／m3飽和汽密度0．068 k加13。由于此段管線流速未知，假設(shè)閥前流速0．1 m／s，則閥前流量為Q：÷丌’D2≯。y={丌．0．0382m2·897 kg／m衛(wèi)0．1 m／s--O．1 kg／s。閥后流體流速為”(Q瓶懶)伯"rr'D2)=(等+等／f二訂·0．0382 l=177 m／s。＼41上述計(jì)算表明，此工況下發(fā)生閃蒸后閥后流體速度會增iJlll000。2000倍n，如此高流速的濕蒸汽對閥后管道產(chǎn)生極強(qiáng)的沖刷作用，形成所示沖刷形貌。該閥球材料為410SS／RAM3l，閥球后管段材料為A182一F22／RAM31。410SS以及A182一F22分別為馬氏體不銹鋼和Cr—Mo鋼，RAM工藝為VTI公司火箭噴鍍技術(shù)，在材料表面噴涂一層硬質(zhì)合金，RAM3l為在閥球和閥球后管道表面噴涂一層80％Cr：C，+20％Ni—Cr粉末帶手動氣動硬密封球閥，表面硬度可達(dá)66—69HRC。如此高的硬度下閥球發(fā)生破損，這表明經(jīng)過閥球后流體流速非?？?，沖刷作用很強(qiáng)，與上述計(jì)算結(jié)果一致。5結(jié)論高溫高壓冷凝水經(jīng)過閥蒸汽疏水閥后，發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生濕蒸汽，經(jīng)計(jì)算閥后蒸汽速度會陡然增大約1000～2000倍，對閥球及閥后連接的管道產(chǎn)生極強(qiáng)的沖刷作用。

這種流速的急劇變化是造成蒸汽疏水系統(tǒng)金屬球閥閥體及閥后管道內(nèi)表面形成眾多溝槽、管壁發(fā)生減薄的根本原因。因此在閥門的預(yù)防性維修應(yīng)對策略上，對于二回路蒸汽疏水系統(tǒng)的金屬硬密封球閥閥后管道，增加定期的管道壁厚測量項(xiàng)目顯得非常重要，尤其是針對沖蝕嚴(yán)重的閥后6倍管徑范圍內(nèi)，增加無損檢測管道壁厚項(xiàng)目可提前判斷閥門管道的減薄情況，準(zhǔn)備充足備件以免出現(xiàn)蒸汽泄漏影響凝汽器真空度給機(jī)組電功率造成波動。[參考文獻(xiàn)】[1]Design Manual For Steam Drain System：98-45210--DM-400[S]．[2]Ball Valve Installation and Operations Maintenance Manual[z]．VALVTECHNOLOGIES，INC．[3] Material Requisition For Steam Drains Control Valves：98—60463一EQR-401[S]．[4]鄭玉貴，姚治銘．流體力學(xué)因素對沖刷腐蝕的影響機(jī)制[J]．腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2000，12(1)：36—40．[5]閻昌琪．氣液兩相流[M1．2版．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社．2009．[6]BOP壓力容器及管道超聲測厚檢驗(yàn)規(guī)程Is]．[7]焊接和無縫軋制鋼管：ASME B36．10MIS]．(編輯啟迪)作者簡介：劉少偉(1983一)，男，工程師，從事核電站閥門類機(jī)械設(shè)備管理與維修工作。收稿日期：2016—03—04290 l2016年第8期網(wǎng)址WWW．jxgcs．com電郵：hrbengineer@163．corn萬方數(shù)據(jù)