核取样系统减压阀降低冲蚀处理_邱磊.pdf

中国电工网核取样系统减压阀降低冲蚀处理邱磊，李开盈，邵家泉，傅仁浦，董玉领，徐宁杰（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 ）摘要：介绍了压水堆核电厂核取样系统的减压阀的功能、原理及结构，分析了设备所处的工况及需满足的性能要求。根据现场实际缺陷可知，减压阀的缺陷率明显较高。对所在管线的工况及阀门结构进行简化和理论分析，找出减压阀冲蚀严重的原因。根据缺陷产生原因，从材质、阀门结构等方面提出相应的改进方案，对每个方案从理论效果及可实施性方面进行分析，确定换型的基本方案，并对换型后的阀门结构进行理论分析。与换型前进行对比，换型后的阀门阀芯、阀座处的工况有所缓解，有效降低了冲蚀。关键词：减压阀；冲蚀；孔板降压；缝隙流动中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：邱磊（），高级工程师，研究方向为设备可靠性管理。概述为了监测一回路系统水质的情况，需取样进行化学分析，判断水质是否满足需求，如果超出标准就将对一回路设备、管道及容器的运行有影响，大大降低设备的可用性。同时一回路的运行将产生部分产物，也将导致水质的变化，而通过水质监测可及时发现一回路的异常。核电厂的核取样系统主要用于核系统相关的液相与汽相取样。核取样系统可集中抽取供化学分析和放射性化学分析用的样品，然后送往反应堆冷却剂取样间。样品从以下各个系统抽取：反应堆冷却剂系统、废液处理系统、废气处理系统、蒸发器二次侧和蒸汽发生器排污系统、其他辅助系统。按照流体样品性质、放射性活度及测量方法的不同对样品进行不同处理。在反应堆冷却剂系统和余热排除系统的液体取样管线上安装一根支管，以流量 收集样品，而不考虑分析仪器所有的流量。为了得到有代表性的样品，并减少所取样品的量，取样管线的外径为 ，同时管道设计应使形成的沉积物尽可能的少，因此高温冷却器是单管式的，阀门尽可能为直通型。阀门结构与原理 阀门的系统布置每个样品经冷却和降压后作为实验室分析用，样品的温度调整到（）。根据需要，用一台或两台冷却器冷却样品，若需要两台冷却器则要串联，第一台使样品温度降至，第二台使样品进一步降至。需减压阀调节的样品，用自动控制阀来降压。其流程为一回路介质经过安全壳隔离阀后，首先使用高温减压器将温度降温至，然后将压力降至 以下，再通过低温减压器将温度降至 ，最后使用手动调节阀调节取样压力电工技术输配电工程2023 1期 与流量进行取样。需注意的是，必须先进行降温，否则降压时将发生介质汽化的现象，对管道及设备产生极大影响。因此第一道降温及降压为整个取样系统的关键步骤，相应的设备为关键设备。其中降温采用设备冷却水，降压采用减压阀。反应堆冷却剂系统、余热排除系统和化学容积控制系统的取样管线、安全壳隔离阀常开，操作员可通过调节控制阀和减压阀的压差整定值来控制通过分析仪的流量。反应堆冷却剂样品按以下情况进行回收：在正常运行期间回收到容积控制箱；当主回路降压时，反应堆冷却剂系统及容积控制箱的压力状态使分析后的样品不能回收到容积控制箱。在此期间，容控箱也可以进行维修。事故后的样品按照不同的放射性水平回收到容积控制箱，或通过核岛疏水排气系统再送入安全壳内。其他分析仪的返回管线，可接向化学容积控制系统的再循环总管（如果容积控制箱可用）或通过调节控制阀阀门接到号蒸汽发生器上游一回路取样管线上。在这种情况下，可通过调节控制器的整定值将减压阀打开。与分析仪相连的取样管线的流量用控制阀调节。那些不投入使用的取样管线的流量可减小至，但是样品的温度不能保证处于（）的范围内。另外在取样期间外，从稳压器汽相来的取样管线是隔离的。稳压器取样高温减压器，上游温度为 ，冷却后为，流量为 。设备冷却水系统流量为，入口温度为，出口温度为，入口压力为 ；低温冷却器 上游温度为 ，下游温度为。阀门运行参数查询系统运行手册，可得稳压器汽相、液相压力为 ，流量为 ，压差最大为 ；正常情况下，进口压力为 ，出口压力为 ，压差为 ，开度为，为 ，温度为，流量为 。由于压差极大，因此减压阀的工况较恶劣。阀门结构某核电厂采用的减压阀为 ，额定 为 ，行程 ，阀座直径为 ，阀芯、阀座材料为 。设计参数：运行压力 为 ，运 行 温 度 为 ，压 差 为 ；入口尺寸为 ，出口尺寸为 ；外径为 ，内径为 ；插套焊接尺寸为 ，阀前进口为。阀门与系统管线的连接为承插焊接，连接尺寸如图所示。阀芯与阀座之间的结构可看作是孔板，阀门的流量由阀芯与阀座之间开度进行控制，满足流量需要。其结构可简化为如图所示。进出管道连接端尺寸材料 RCC-M M33019.50.58.50.514.2+0.1033进口、出口管道尺寸:外径 13.7,内径 7.66连接端尺寸符合:0401T202图 1 阀门连接尺寸图图 2 阀芯、阀座结构示意图P1P2P3P4缺陷分析 阀门的缺陷率根据设备检修大纲，此阀门预防性解体周期为（个燃料循环），即在 年内进行预防性解体检修。但在机组运行后，阀门的故障率极高。以下为两台机组的缺陷数量，按照单台机组台阀门计，根据预防性解体检修项目，即平均每年只有 台的检修量。但实际故障率远远高于此，且在机组大修过程中，对其进行预防性解体检修，也发现其阀芯、阀座冲蚀较严重，需更换阀芯阀杆组件及阀座等金属件。每次解体检修，阀芯阀杆组件、阀座等金属非必换件均需更换，成为必换件。某核电厂其减压阀阀芯、阀座 缺 陷 率 如 图、图 所示。4.543.532.521.510.502012 年 2013 年 2014 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年图 3 缺陷率 14.543.532.521.510.502013 年 2014 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2021 年图 4 缺陷率 2输配电工程电工技术 中国电工网某次检修后阀芯具有明显的冲蚀，主要体现在阀芯前端的部分冲蚀，如图、图所示。图 5 阀芯冲蚀图 1图 6 阀芯冲蚀图 2 分析原理 基本原理管道及阀门的介质为高压介质，可考虑为非压缩流通，则单位时间内在管道及部件的流通横截面的质量流与体积流保持一致，如图所示。P1v1y1x2x1v2y2P2图 7 液体流动原理示意图流入质量为，流出质量为，即，则可得：（）由能量守恒原理可知，介质所受力做的功等于其能量的变化，包括势能及动能的变化，即（）（），所以 ，即 定值。由于阀门的高度很小，其势能相对于压力及速度较小，可忽略不计，因此有：（）式（）即为流体的伯努力方程，其中。孔板降压原理阀芯、阀座结构可简化为孔板流动结构及阀芯、阀座的缝隙流动结构。孔板示意图如图所示。P=P1=P2IIIIIIv1P1P2v1v2v3v2A2A1图 8 孔板示意图将式（）代入式（），可得：（）加入修正系数，同时查询 火电厂汽水管道设计技术规定，可得孔板的降压公式为：（）式中，为工况下的体积流量，；为流出系数，无量纲；，为工况下孔板的内径，为管道的内径，；为可膨胀系数，无量纲；为压差；为流体密度。流量与压力差的平方根成正比，对于不可压缩，膨胀系数为，由此可得孔板的间隙为：.（）式中，为流量，；为流量系数，一般为；为介质密封密度，。当孔板两端的压差增加时，流量也会增加。当压差增大到一定值时，缩口处的压力下降到流体饱和蒸汽压力以下，一部分流体汽化，管道流量不再随压差增加而增加，即形成所谓阻塞流压差。由此可知，当节流孔板的实际压差小于对应的阻塞流压差时，可避免闪蒸或汽蚀的发生。当管道两端压差较大时，可采用多级减压，但每一级节流孔板的实际压力均应小于本级入口对应。根据原始阀座的结构尺寸，其中，介质取一般水，密度 ，代入式电工技术输配电工程2023 1期（）中，得到 ，故第一级孔板由于间隙较大，压降极小，第二级孔板的压差增大。对于液体，当孔板压差不大于 时，选择单板孔板；当孔板压差大于 时，选择多级孔板，且使每块孔板的压降小于 。缝隙流动原理阀芯与阀座处部位孔板由阀座孔及阀芯组成极小的间隙，故为缝隙流动。假定为定常流动，流体的质点无加速度，则沿方向力的平衡方程为：（）（）（）（）化简后，可得：对于方向同样有：重力因素一般可忽略，且切应力只是的函数，因此有：则：根据牛顿内摩擦定律有：则有：根据边界条件得：（）则流量为：（）（）式中，为流量，；为间隙值，为；为动力粘度，或 （）。缺陷原因分析阀芯与阀座的冲蚀存在各个方面的原因，可从以下几个方面进行分析。（）材质。由于与放射性介质接触，因此阀门与介质接触的部件均采用不锈钢材质。为了耐磨性，在阀芯、阀座均涂镀司太立合金。但由于减压的作用，受阀芯、阀座的结构尺寸限制，涂镀的合金厚度不能太厚，且合金冲蚀后，不锈钢材质质地较软，更易冲蚀。（）表面粗糙度。介质流过的管壁不是理论完全光滑，会产生摩擦力，而介质的能力将因摩擦力而进行转化，产生沿程阻力。沿程阻力越大，能量损失就越大。根据力的相对作用，此阻力也未对管壁的介质产生摩擦能量。在管道参数一定的情况下，粗糙度越大，沿程阻力系数越大，摩擦力也越大，冲蚀越严重。（）阀芯结构。阀芯结构主要是在阀芯与阀座具有一定开度的情况下两者之间的间隙。由于所需流量一定，因此其结构简化为缝隙流动结构，则阀座与阀芯之间的间隙越小，压差越大，能很好地减压。若阀前压力不变，则阀后压力越小。根据伯努利方程，压力减小，则流速增加。同时越小，则横截面积也越小，在保证流量的情况下，流速也增大，从而使摩擦力变大。（）阀座结构。由于阀门前后压差极大，因此需多级减压。根据以上分析，在阀芯、阀座处的越小，则阀芯与阀座之间的间隙越大，即可将流速减小。若阀芯前的孔板减压能力较小，则造成阀芯的压降过大，而根据阀芯结构的分析，会加重阀芯的冲蚀。（）水质。水质变差，也会对阀门的部件进行腐蚀，从而加重冲蚀，但在一般情况下，一回路的水质不会发生太大的变化。综上所述，阀芯、阀座的零部件冲蚀的影响因素有材质、部件表面粗糙度、阀芯结构、阀座结构等。为了减少阀芯、阀座的冲蚀，就需从以上几个方面进行优化。缺陷处理方案 材质方面由于阀门的介质为一回路介质，因此无法采用碳钢，可采用更加耐磨的合金钢。但由于其结构尺寸较小，合金钢在加工成型时将有较大的残余应力，运行中会导致零部件变形及冲蚀加重，影响阀门性能及可用性，因此改变材质不可行。增加司太立合金的涂镀厚度，受阀芯结构尺寸的限制，若涂镀厚度过大，则其本体的尺寸将会减小，增加了加工难度，同时结构强度会变小，不利于阀门的正常运行，故可适当地增加司太立合金的涂镀厚度。同时为了增加材质的硬度，可考虑对阀芯表面进行渗氮处理，增加强度，同时提高耐磨性。表面粗糙度阀门的阀芯表面已较光洁，再次提高粗糙度的难度较大，将耗费较大的工作量；可提升耐冲蚀能力，但提升效果不大。从经济性及可实施性方面综合考虑，提高粗糙度的性价比不高。阀芯结构为了满足流量的要求，需综合考虑阀芯与阀座之间的间隙，根据伯努利方程、孔板的方程及流量的要求，要减输配电工程电工技术 中国电工网轻冲蚀现象，最终体现在减低流速。由于需保证流量，因此根据流速与流量的关系，要降低流速，就需增加流体的流通面积。由于流通面积主要取决于阀芯与阀座之间的间隙，可考虑为环形流通，因此可增大阀座孔的尺寸，或减小阀芯的尺寸，或同时增大阀芯、阀座的尺寸，使流通环面积增大。因减小阀芯的尺寸，将降低结构强度，不利于阀门的性能的稳定，故不考虑减小阀芯的尺寸。由此可知，阀芯结构方面主要考虑增大阀座与阀芯流通部分的结构尺寸。阀座结构由于需降低阀芯与阀座处流速，根据式（）增大间隙值，而流量不变，因此相应的压差需减小。为了保证阀芯后的压力不变，要减小阀芯前的压力，则需增大前孔板的降压能力。由图可得，其中 ，。根据目前的结构方式，有 ，需减小，同时保证阀后压力不变以整体降压性能，则需增大、。在确保流量不变的情况下，需将孔板的尺寸减小。根据阀门的具体结构，第二级孔板在第一级孔板的内部，若第二级孔板的开孔尺寸大于第一级，且阀芯与阀座的尺寸较小，则导致第二级孔板的尺寸无法加工。为了便于加工，可将两个孔板的降压能力保持一致，开孔尺寸一致。由于原有第二级孔板的压差较大，孔径较小，因此按照第二级孔板的尺寸进行加工，即按照 进行加工。由于 ，因 此 。若 要 减 小，则需增大，也可保持不变，或与保持一致。若要增大，在保持流量不变的情况下，则需减小孔板的尺寸。考虑到零部件加工的可实施性，内部孔大、外部孔小的加工难度极大，故可与保持一致，同时减小孔板的开工尺寸。增大，但不能过于增大，越大意味着孔径越小，如图所示。V1P1P2V2图 9 孔板示意图孔板的受力（），其中为孔板的面积。越大，则孔板处的受力越大，将影响孔板的可靠性，孔板由于流速的变化也将承受较大的力。同时由于孔径极小，孔径处的流速极大，对孔板后的介质将产生极大的紊流，引起振动等现象。由此可知，直接将孔径减小，在增大的同时将引起工况的恶化，对设备性能及正常运行将产生极大影响。减小流通面积的另一种方式为在孔板的空隙中插入一根导流轴，以减小流通面积，起到增大的作用。考虑导流轴和孔板的强度及可实施性，可先将孔板的孔扩大，同时增大导流轴的尺寸，增强导流轴的强度。孔板孔扩大将导致强度的降低，为了增加强度，可将孔板的厚度增加，两者之间形成缝隙流动，不再为孔板减压。考虑到压差较大，可在减压阀前安装减压孔板或增加阀前孔板级数，增加阀门管线空间位置及焊接作业，而增加减压孔板将增加管线泄漏的风险，故更为可靠的方案是将二级减压增加到多级减压。考虑到阀门的结构及尺寸，若增加较多，则阀门的尺寸增加较多，管线变化较多，阀门的强度可能下降，整体质量的增加将需加强其抗振性能，因此 初 步 考 虑 将 阀 芯 前 的 孔 板 或 缝 隙 数 量 增 加 到三级。综上所述，最终的方案为将孔板减压修改为缝隙流动，并调整到三级，以减少每个缝隙流动的压力差，使速度变化更加平滑，如图 所示。图 10 改进后孔板示意图缝隙流动的间隙相比流量孔板的值可实施到个数量级以下，故缝隙流动的将更大，也可达到个数量级。根据新型结构的尺寸，阀座尺寸内径为，阀芯尺寸为，则。查询手册可得介质的动力粘度 ，。由此可得 （）（），则 ，而 ，即。缝隙流动的压降分别为、，由 于 ，因此 。又由于 ，因此 。由此可知，则换型后阀门的阀芯流速将极大降低，减少冲蚀，增加了阀门的可用性。最终阀门的结构使用了多级减压的方式设计。改进后，经过一段运行时间观察，目前该阀门运行良好，其他机组只有预防性解体检修，缺陷率大大降低。结语本文从核取样系统的工作原理、管线流程等出发，介（下转第 页）电工技术输配电工程2023 1期 图 5 改进后的备自投开出回路 调试检验状态下的进线备自投方式（）充电完成后，若两段母线电压均低于无压定值，工作进线无流，备用进线有压，则备自投装置启动。（）备自投启动并达到时间定值后，跳工作进线开关的跳闸接点动作，经“开出切换模块”处理后出口合备用进线开关。合上备用进线开关后，备用进线开关位置经“开入模拟模块”开入至工作进线开关的光敏元件，装置“确认”工作进线开关跳开。（）“确认”工作进线开关跳开后，装置延时合备用进线开关接点动作，经“开出切换模块”出口跳工作进线开关，工作进线开关位置经“开入模拟模块”开入至备用进线开关的光敏元件，装置“确认”备用进线开关合上，完成调试状态下的进线备自投功能校验。调试检验状态下的分段备自投方式（）装置充电完成后，当母或 母电压低于无压定值，且对应进线电流小于无流定值，备自投装置启动。（）装置启动并达到时间定值后，跳失压母线进线开关跳闸接点动作，经“开出切换模块”出口合分段开关，分段开关位置经“开入模拟模块”开入至失压母线进线开关的光敏元件，装置“确认”失压母线进线开关跳开。（）“确认”失压母线进线开关跳开后，延时合分段开关接点经“开出切换模块”出口跳失压母线进线开关，失压母线进线开关位置经“开入模拟模块”开入至分段开关的光敏元件，装置“确认”分段开关已合上，完成调试状态下的分段备自投功能校验。结语备自投是重要的保证配电网供电可靠性的安全自动装置。本文提出的备自投开入、开出回路的改进方案在进行备自投调试检验时能大幅提高工作效率，减少资源投入，降低二次改接线风险，提升配网二次运行管理水平。本文提出了理论上的改进方法，后期将改进方案实用化，实际测试该改进策略的可靠性、可行性与合理性。参考文献 涂春鸣，高家元，赵晋斌，等弱电网下具有定稳定裕度的并网逆变器阻抗重塑分析与设计 电工技术学报，（）：侯慧，刘鹏，黄亮，等 考虑不确定性的电热氢综合能源系统规划电工技术学报，（）：张凯翔，张肖青分布式电源对配电网继电保护的影响分析供用电，（）：娄玲娇，侯永春 出口矩阵设置错误导致保护误动分析电气技术，（）：杨朝赟，张国平，张丰，等特殊接线变电站 备自投设计原则及逻辑分析电气技术，（）：孙大根备自投闭锁功能完善及试验分析电气技术，（）：继电保护和电网安全自动装置检验规程 金超杰备用电源自动投入装置应用研究保定：华北电力大学，陈文娟 标准化进线备自投装置不停电带开关传动试验方案电工技术，（）：程韧俐，张臻哲，何晓峰，等适用于变电站母线多分段接线的备 自 投 控 制 方 法 电 力 自 动 化 设 备，（）：（）线路保护及辅助装置标准化设计规范 章桢，庄严，陈浩，等一起 主变低压侧故障后备自投动作异常分析农村电气化，（）：（上接第 页）绍了核取样系统减压阀所需的压力、温度及流量等参数，分析了减压阀需处于较大的压差下工作，同时介绍了阀门的结构，并对阀芯、阀座处的结构进行了简化，方便后续的分析。提取了阀门自安装运行后的检修情况，通过分析可知与预防性检修大纲对比，此阀门的缺陷率较高。根据简化后的结构，其主要为孔板结构以及缝隙流动结构。对其结构进行原理分析，推导得到压力与流速、流量以及孔径之间的关系，再次根据沿程阻力损失原理，说明了阀芯的冲蚀主要与流速有关。从强度、增大孔板压差及增加级数进行考虑，得到新型阀门的结构，其结构原理变化为缝隙流动。经过换型前后的理论对比，其阀芯的结构强度增加，阀芯前的压差变大，使阀芯处压差得到极大减小，降低了流 速，从 而 降 低 了 阀 芯 的 冲 蚀，提 高 了 阀 门 的 可靠性。参考文献 赵 汉 中 工 程 流 体 力 学 武 汉：华 中 科 技 大 学 出 版社，火电厂汽水管道设计技术规定输配电工程电工技术