核電廠二回路蒸汽疏水系統(tǒng)管路上，金屬硬密封氣動(dòng)球闊在機(jī)組運(yùn)行多年后發(fā)生了闊體沖蝕、闊后管道管壁減薄現(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)組二回路閥門運(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。
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)中的水浸入和趙壓的可能減到最小，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，給幢安全穩(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-PV4115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1#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)，檢査發(fā)現(xiàn)1-45210-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。
閥門及系統(tǒng)功能筒介
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髙，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，不能使用聚四氟乙嫌等非金屬閥座，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髙，同時(shí)閥球的硬度髙于閥座的硬度。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1.5-4k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(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。
閥后自帶不繡鋼管道沖蝕情況
蒸汽疏水球閥在安裝時(shí)本身自帶一段管道，以閥后管線砂眼的PV4115為例其材質(zhì)為ASTMA182等級F22高溫鍛造鉻鉬不銹鋼，焊接管道為ASTMA106B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.
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45°位置）進(jìn)行擴(kuò)大檢査。
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9.0~9.3mm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9.0~12.2mm之間。
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PV4115—致，延伸管道管線材質(zhì)為ASTM105碳鋼公稱外徑為48.26mm，公稱壁厚為5.08mm。
結(jié)合圖8、表3可以看出，PV4107閥后碳鋼管段從焊縫位置后50mm開始大部分區(qū)域逐漸發(fā)生了減薄，最薄處僅為2mm，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，髙倍下溝槽底部呈現(xiàn)明顯的沖刷腐蝕形貌，宏社有條狀“水線，，痕跡，髙倍下（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。對于大口徑4in閥門，其闊后管道壁厚的減薄集中出現(xiàn)與底部兩側(cè)45°區(qū)域，小口徑管道則呈現(xiàn)出整個(gè)環(huán)狀管壁減薄。
管壁減薄原因分析
4.1 化學(xué)成分及金相分析
采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP）對減薄管段化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。基體化學(xué)成分符合ASTMA182/A105的成分要求。
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(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運(yùn)動(dòng)而引起金屬的加速破壞現(xiàn)象。一般來說隨流速増大，腐蝕速度隨之増大。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。在髙流速條件下，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)流體速度増大到“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，PV4107閥前疏水袋溫度約為170丈，壓力約為1.2MPa，閥后壓力約0.01MPa（表壓，考慮閥后管線至凝汽器的管阻壓降），査閱水-水蒸氣熱力性質(zhì)表，閥前流體密度為897kg/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。査閱水的飽和蒸汽壓表，1.2MPa對應(yīng)的飽和溫度為187°C，因此閥前過冷度為17°C。根據(jù)Spiraxsarco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-水蒸氣熱力性質(zhì)表，0.01MPa壓力下，飽和液密度989kg/m3，飽和汽密度0.068kg/m3。由于此段管線流速未知，假設(shè)閥前流速0.1m/s，則閥前流量為
閥后流體流速為
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)増加1000~2000倍，如此髙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/RAM31，閥球后管段材料為A182-F22/RAM31。410SS以及A182-F22分別為馬氏體不銹鋼和Cr-Mo鋼，RAM工藝為VT訟司火箭噴鍍技術(shù)，在材料表面噴涂一層硬質(zhì)合金，RAM31為在閥球和閥球后管道表面噴涂一層80%Cr2C3+20%Ni-Cr粉末，表面硬度可達(dá)66~69HRC。如此髙的硬度下閥球發(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。
結(jié)論
高溫髙壓冷凝水經(jīng)過閥蒸汽疏水閥后，發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生濕蒸汽，經(jīng)計(jì)算閩后蒸汽速度會(huì)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)，増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(dòng)。