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            首頁技術文章 控制閥

            蒸汽疏水管道金屬硬密封氣動球閥故障原因分析及處理

            梅索尼蘭閥門(蘇州)有限公司  發布時間:2019-05-29 00:00:00  閱讀次數:1641

            摘 要:核電廠二回路蒸汽疏水系統管路上,金屬硬密封氣動球闊在機組運行多年后發生了闊體沖蝕、闊后管道管壁減薄現象,最終導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,找出閥門故障出現的根本原因,并針對性地提出了相應的后續建議,提高了核電機組二回路閥門運行的可靠性,對于同類型金屬材質硬密封閥門的預防性維修工作具有指導意義。

            關鍵字:金屬硬密封 球閥 故障


             

            0 引言

            蒸汽疏水系統作為核電廠二回路一個重要的輔助系統,其主要目的和功能是防止凝結水在蒸汽管道中聚集,將汽輪機中的水浸入和趙壓的可能減到最小,同時保護蒸汽管道系統,防止發生侵蝕和水錘現象。系統接受各蒸汽管道的低位疏水袋內的凝結水,經氣動疏水閥匯集到疏水集管或直接排向凝汽器。在機組啟動過程中,一旦凝汽器真空已經建立,主蒸汽母管疏水將直接排至凝汽器內,凝汽器內需保持真空負壓的有效。一旦大口徑蒸汽疏水閥門出現故障需要隔離維修時,凝汽器需要破真空,給幢安全穩定運行帶來很大的隱患。

            2014年電廠2#機組正處于大修結束后期啟機階段,主蒸汽母管至凝汽器疏水閥2-45210-PV4115動作時,發現閥后所在管線有蒸汽外漏,呈噴射狀(如圖1所示),機組被迫將主蒸汽母管疏水由凝汽器切換至大氣。

            圖1 蒸汽疏水閥后管道砂眼蒸汽噴射

            2012年電廠1#機組大修期間在執行蒸汽疏水閥門預防性維修解體工作時,檢査發現1-45210-PV4107閥門閥芯及閥座部件、閥后碳鋼管道沖蝕嚴重(如圖2、圖3所示),不得不進行整閥及閥后部分管道的更換。

            圖2 沖蝕嚴重的閥球

            圖3 球閥閥座硬質合金涂層沖蝕剝落

            1 閥門及系統功能筒介

            電廠二回路熱循環系統疏水管道配有氣動疏水閥,將疏水引向一個公用的汽輪機高壓集管,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控制,隨著疏水袋內液位升高,觸發液位開關動作,在向主控室發出CI報警的同時氣動疏水閥自動打開進行排水,在液位恢復后,經延時繼電器設定開啟時間后自動關閉。疏水袋布置在較低的疏水點,用于收集冷凝水。二回路蒸汽疏水閥等由于溫度較髙,動作較為頻繁,采用氣動硬密封球閥。受系統溫度限制,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合金,硬度比普通的堆焊層髙,同時閥球的硬度髙于閥座的硬度。該類球閥結構上屬于浮動兩片式,進口側閥座密封,中法蘭的預緊力提供初始填料密封力,并靠進口側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,屬氣動兩位開關閥,氣缸為帶手輪操作裝置的彈簧復位式單作用活塞式氣缸,如圖4~圖5所示。

            圖5 球閥及控制邏輯

            2 閥后自帶不繡鋼管道沖蝕情況

            蒸汽疏水球閥在安裝時本身自帶一段管道,以閥后管線砂眼的PV4115為例其材質為ASTMA182等級F22高溫鍛造鉻鉬不銹鋼,焊接管道為ASTMA106B高溫作業用碳素鋼無縫鋼管。本次發現泄漏的部位并非位于系統碳鋼管道上,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。

            圖6 PV4115蒸汽

            利用超聲波測厚儀(型號26MG,儀器精度±0.1mm)對閥后不同材質管道進行逐點測厚,如表1所示。

            表1 壁厚測量結果      mm

            根據表1測量數據發現不銹鋼管段A3區域測厚數據發生了異常減薄,而焊縫后的碳鋼管段未見明顯管壁減薄現象。其他區域壁厚分布無明顯規律性。隨即對漏點區域(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延伸各45°位置)進行擴大檢査。

            從表2數據可以看出,閥后直管段漏點附近數據測量值為9.0~9.3mm之間,對其進行擴大檢測,發現管道底部一整片區域數據異常,區域內部分位置超聲波測厚儀無法獲得反射數據,可測得數據在9.0~12.2mm之間。

            3 閥后延伸碳鋼管道沖蝕情況

            以PV4107為例,閥后自帶管道材質與PV4115—致,延伸管道管線材質為ASTM105碳鋼公稱外徑為48.26mm,公稱壁厚為5.08mm。

            結合圖8、表3可以看出,PV4107閥后碳鋼管段從焊縫位置后50mm開始大部分區域逐漸發生了減薄,最薄處僅為2mm,發生在閥后約4-6倍管徑處,詳見圖9。

            圖7 減簿區域擴大檢查范圍

            圖8 閥后碳鋼段管測厚位置圖

            表3 碳鋼段壁厚測量結果          mm

            圖9 管壁減薄顯微圖

            對閥后管道進行剖開目視觀察,管內表面形貌具有明顯的溝槽狀。進一步對管內表面進行宏/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)觀察可發現,此“水線”實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。該凹坑現直接導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,不僅僅出現在閥門自帶不銹鋼部分,其延伸的碳鋼管道也會出現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與底部兩側45°區域,小口徑管道則呈現出整個環狀管壁減薄。

            4 管壁減薄原因分析

            4.1 化學成分及金相分析

            采用電感耦合等離子光譜發生儀(ICP)對減薄管段化學成分進行分析,結果如表4所示;w化學成分符合ASTMA182/A105的成分要求。

            表4 減薄管段化學成分質量分數       %

            從樣件的化學成分可以看出,不論是閥后自帶不銹鋼管段還是與系統接口的碳鋼管道,其化學元素含量均滿足標準要求,可以排除自身材質問題。

            4.2 閥后管壁減薄原因分析

            4.2.1 流速對管壁減薄影響

            蒸汽疏水管道在機組正常運行期間其閥門本體測得溫度在100°C以上,若閥門不出現內漏則閥后管道溫度與閥前會存在明顯的差異。閥前內介質為汽水兩相流,本文中出現的閥后管道嚴重沖刷腐蝕,其實質為汽水兩相流體和金屬表面的相對運動而引起金屬的加速破壞現象。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,腐蝕速度隨之緩慢增大,當流速達到某臨界時,腐蝕急劇上升。在髙流速條件下,不僅均勻腐蝕隨之嚴重,而且出現的局部腐蝕也隨之嚴重。當流體速度増大到“剝離速度”以上,表面的剪切應力大到可以撕裂或剝離保護性氧化膜,此時腐蝕過程變為磨蝕過程。

            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-水蒸氣熱力性質表,閥前流體密度為897kg/m3。在這種情況下,只要閥門略有節流降壓,流體就會發生閃蒸,產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對應的飽和溫度為187°C,因此閥前過冷度為17°C。根據Spiraxsarco閃蒸蒸汽計算軟件,求得冷凝水經過PV4107閥后,約產生13.7%(質量百分比)的蒸汽。查閱水-水蒸氣熱力性質表,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,假設閥前流速0.1m/s,則閥前流量為

            閥后流體流速為

            上述計算表明,此工況下發生閃蒸后閥后流體速度會増加1000~2000倍,如此髙流速的濕蒸汽對閥后管道產生極強的沖刷作用,形成所示沖刷形貌。

            圖10 碳鋼管道橫向金相組織(鐵素體+珠光體)

            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,在材料表面噴涂一層硬質合金,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66~69HRC。如此髙的硬度下閥球發生破損,這表明經過閥球后流體流速非?,沖刷作用很強,與上述計算結果一致。

            5 結論

            高溫髙壓冷凝水經過閥蒸汽疏水閥后,發生閃蒸,產生濕蒸汽,經計算閩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生極強的沖刷作用。這種流速的急劇變化是造成蒸汽疏水系統金屬球閥閥體及閥后管道內表面形成眾多溝槽、管壁發生減薄的根本原因。因此在閥門的預防性維修應對策略上,對于二回路蒸汽疏水系統的金屬硬密封球閥閥后管道,增加定期的管道壁厚測量項目顯得非常重要,尤其是針對沖蝕嚴重的閥后6倍管徑范圍內,増加無損檢測管道壁厚項目可提前判斷閥門管道的減薄情況,準備充足備件以免出現蒸汽泄漏影響凝汽器真空度給機組電功率造成波動。

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