機(jī)械工程師MECHANICAL ENGINEER蒸汽疏水管道金屬硬密封氣動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)：TH 623 7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：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(gè)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(shí)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(dòng)疏水閥匯集到疏水集管或直接排向凝汽器。在機(jī)組啟動(dòng)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(shí)，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(dòng)作時(shí)，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(shí)，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(dòng)疏水閥，將疏水引向一個(gè)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(dòng)作，在向主控室發(fā)出CI報(bào)警的同時(shí)氣動(dòng)疏水閥自動(dòng)打開進(jìn)行排水，在液位恢復(fù)后，經(jīng)延時(shí)繼電器設(shè)定開啟時(shí)間后自動(dòng)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(dòng)作較為頻繁，采用氣動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jí)為CL600與管道下游的連接方式為對(duì)接焊，屬氣動(dòng)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(shí)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(jí)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(cè)量方式如圖6所示。利用超聲波測(cè)厚儀(型號(hào)26MG，儀器精度±0．1mm)對(duì)閥后不同材質(zhì)管道進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)厚，如表l所示。表1壁厚測(cè)量結(jié)果mm測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不銹鋼管段A3區(qū)域測(cè)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(duì)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(cè)量值為9．0—9．3 mm之間，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)大檢測(cè)，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(cè)厚儀無法獲得反射數(shù)據(jù)，可測(cè)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。≠樣l；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(duì)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(duì)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(dòng)氣動(dòng)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(dòng)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(huì)出現(xiàn)不同情況的管壁減薄情況。對(duì)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(gè)環(huán)狀管壁減薄。采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(IcP)對(duì)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(duì)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(cè)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(huì)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)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(cè)，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(huì)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(duì)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(huì)增iJlll000。2000倍n，如此高流速的濕蒸汽對(duì)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(dòng)氣動(dòng)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?？欤瑳_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(huì)陡然增大約1000～2000倍，對(duì)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(duì)策略上，對(duì)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(cè)量項(xiàng)目顯得非常重要，尤其是針對(duì)沖蝕嚴(yán)重的閥后6倍管徑范圍內(nèi)，增加無損檢測(cè)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(dòng)。[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(duì)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(cè)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)