压水堆核电厂阀门老化管理方法应用

科技创新导报2018 NO.21Science and Technology Innovation Herald创新管理

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald193DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2018.21.193

压水堆核电厂阀门老化管理方法应用①

李上元1 韩传伟2 谢岱良1 李鸿飞1 史芳杰2(1.广西防城港核电有限公司 广西防城港 538003；2.苏州热工研究院有限公司 江苏苏州 215004)

摘 要：压水堆核电厂大量使用各类型阀门，而阀门相关的故障及失效一直是核电厂难以根本解决的技术问题。从老化管理角度对核电厂阀门开展基于戴明循环（PDCA）的管理，在对阀门老化机理充分认知的基础上提出管理策略，并就当前业界关注的马氏体阀杆热老化、阀门泄漏、电动阀门监测及气动阀隔膜失效等进行阐释。关键词：压水堆核电厂 阀门 老化管理中图分类号：TL38 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)07(c)-0193-06

Abstract：Many types of valves are used in pressurized water reactors, and valve related failures have been difficult to solve in nuclear power plants. From the perspective of aging management, the valve of nuclear power plant is managed based on Deming Cycle (PDCA). On the basis of fully understanding the aging mechanism of valve, management strategy is proposed. This article also includes current industry concerns, such as thermal aging of martensitic stainless steel stem, valve leakage,monitoring of electric valves, failure of diaphragm of air-operated valve and so on.Key Words: PWR nuclear power plant; Valve; Aging management

①作者简介：李上元(1990，5—)，男，汉族，广西人，本科，工程师，研究方向：核电厂老化与寿命管理、科技管理。阀门是核电厂的核心部件之一，一座百万千瓦级核电厂使用的阀门约3万台，其中核岛阀门约占43%，常规岛约占45%，电厂配套设施（BOP）约占12%。阀门在长期服役过程中不可避免会发生劣化导致失效，不仅影响核电厂的安全性与可靠性，还将导致巨额的经济损失。据统计阀门维修费用约占核电厂维修总费用的50%[1]。部分阀门处于复杂苛刻环境中，长期服役下将出现各种各样的老化问题，借助系统有效的老化管理方法，可及时发现和缓解老化，提高核电厂阀门的安全性与可靠性。1 失效模式与老化机理分析1.1 阀门失效模式分析核电厂阀门类型众多，使用工况复杂，不同的阀门部件失效形式多种多样，其对应的失效原因也不尽相同。核电厂阀门及其部件失效形式与失效原因的总结如表1所示。1.2 老化机理分析阀门部件中非能动部件的老化机理识别主要依据美国核管会（NRC）发布的通用老化经验学习GALL 1801[2]文件，能动部件的老化机理识别主要根据运维、工程分析及经验反馈[3]。核电厂阀门的老化机理一般包括腐蚀、磨损、热老化、过载、疲劳等。1.2.1 腐蚀常见的阀门腐蚀问题一般包括均匀腐蚀、缝隙腐蚀以及点蚀。对于不锈钢材质及含镍基合金的阀门在腐蚀性环境及拉应力下还易发生应力腐蚀开裂（SCC）。当不同电势的阀门材料在腐蚀环境中相互接触时，将会发生电偶腐蚀。当金属表面受到流体（或者两相流）冲击时，将可能发生侵蚀或流体加速腐蚀（FAC）。在流速过高降压过大时，在阀门下游快速形成和破裂的气泡可产生巨大的冲击波，形成气蚀坑。1.2.2 磨损材料表面之间的相对运动将导致磨损问题。来源于小幅度的、晃动的、连续性的摩擦面间的运动，通常称为微振磨损(Fretting)。相对大幅度的、来源于两个部件间歇性滑动接触的振动，称为磨蚀(Wear)。维修也是阀门产生磨损的主要原因。阀板-阀座、阀杆-填料密封副是磨损的敏感对象，粗颗粒流体也可能导致阀门流道的磨损问题。1.2.3 热老化高温情况（通常指250℃以上）下，特定材料的阀门部件（如阀杆、螺栓、销钉等）随着运行时间的延长将发生脆化现象，沉淀物从固溶物中析出，微观结构发生细微变化，致使材料失去延展性而变脆。在阀门密封件中使用的高分子材料在高温情况下也会发生热降级，根据高分子材料类型，密封件会产生交联反应或断链反应而变硬或变软，影响密封性能。1.2.4 过载阀门在高载荷下服役将影响其本体或所在管系结构的安全性。核电厂阀门在管路设计及替代/改造过程中对阀门重量的变化有详细的规定，避免阀门超重引起管系中应力过大或影响其抗震性能。对于确实超重阀门，需建立管系的应力分析，确保应力值在允许值范围内。如确实超重，应进行相应的管系改造，如增加支吊架等。1.2.5 疲劳阀门的疲劳主要为敏感部位受到交变应力的作用而致使裂纹萌生和扩展。产生交变应力的主要原因为振动和温度波动。对于小口径阀门，由于振动的存在，通常会发生阀门接管处及其焊缝的疲劳开裂。对于旋启式止回阀，在小流量情况下，易造成阀瓣不断与密封面发生碰撞。在阀门使用过程中可以根据阀门的振动情况或听音检查等方科技创新导报2018 NO.21Science and Technology Innovation Herald创新管理

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald194失效形式失效原因手轮丢失或松动振动导致紧固件松动；手轮与阀杆之间配合面腐蚀或磨损阀杆弯曲阀门轭架上周期性偏心载荷；操作机构的过载（推力过大），组件不对中，轭架受损

轭架弯曲或开裂电厂阀门（MOV）不合适的力矩开关设定或气动阀门（AOV）不合适的气压；阀门轭架上周期性偏心载荷，组装过程中不对中，操作机构支撑不合适，轭架设计不足；非计划的或过大的支撑机构上外部载荷

阀门内件腐蚀阀杆盘根不合适的调整或降质；密封降质；内部凝结；来自外部的化学污染阀门位置指示器或限位开关弯曲、损坏或遗失阀杆超范围动作；不合适的维修

不稳定的阀杆动作阀门内部构件、阀杆或执行机构部件的磨损；气动执行机构的气动控制器或定位器中聚合物密封的降质；盘根过紧；反馈联杆磨损；定位器部件降质

阀门驱动机构的润滑油泄漏执行机构中聚合物密封的降质；执行机构部件的磨损

减压阀安全线密封破损密封线腐蚀；密封线机械破损；振动致疲劳；阀门设定点改变；不合适的维修实践

电磁驱动机构过热绕组电路短路或开路的发展；引线或线圈端子腐蚀；阀门服役要求改变或邻近环境改变；对流体温度或状态控制的改变

嘶嘶声（空气泄漏）隔膜的化学降质或热老化；隔膜或密封的机械损伤或磨损；管系或隔膜的疲劳失效；管系连接的机械损伤；不合适的维修实践

执行机构活塞过度窜气聚合物密封的老化和/或机械降质；执行机构活动内部构件表面的擦伤

蒸汽安全阀/减压阀激烈的泄放尖叫聚合物密封变形或机械损伤；阀门内部构件腐蚀；碎片截留

保护性涂层降质涂层热老化；涂层化学降质；涂层机械损伤；湿度在涂层中转移造成起泡并腐蚀金属表面；不合适的表面处理造成剥落

阀门连接或盘根泄漏螺栓疲劳；螺栓夹紧力松弛；不合适的维修

表1 阀门常见失效机理总结表2 热老化脆化敏感的阀杆材料表3 在役隔膜目视检查长期运行温度敏感材料运行温度长期＞250℃ASME SA-564 Type630 H1100、17-4PH、X6CrNiCu17.04、Z6CNU17.4、X6CrNiMo16.04、Z6CND16.04、Z6CNUD15.04、X6CrNiMo15.04

运行温度长期＞300℃Z6CND13.4、Z12C13、Z10C13

症状可能的原因边缘过度变形过度夹紧，过高运行温度，橡胶欠硫化，油析出，溶剂析出隔膜外边缘龟裂（银纹）周围溶剂析出，过高的周围温度，常规的热老化，不适当的运行温度，严重的过度夹紧

边缘脆化与剥落热老化、溶剂侵袭、辐射损伤、长期老化起皱或缺乏平整度原始储存不当，不合适的制模，安装扭曲，过压，有害的油或溶剂相互作用白色表面沉积干的硅脂，胶体从内部向表面“喷霜”抗氧化剂微黄色、蜡状表面沉积处理蜡、酸或其他加工助剂的迁移外观“扭曲”中心螺栓紧固不合适，通过隔膜传递力矩隔膜“鼓泡”硫化不合适，长期的高温运行，失去织物支撑橡胶“起泡”制造工艺不合适，溶剂侵袭表面银纹热损伤，溶剂侵袭，对环境不合适的材料，老化，暴露于臭氧中沿着法兰边部环向撕裂过紧，过压，法兰边缘油漆沾污轴向撕裂过紧，不适当的织物叠铺，不恰当的法兰夹紧力沿着法兰边部不均匀的压缩损伤螺栓过紧

锈斑橡胶中的氯化物与壳体相互作用而腐蚀，其他腐蚀源还包括湿气或化学物质锈粒锈粒冲进橡胶而影响密封性螺栓孔偏心不均匀的夹紧，或在高温下失去夹紧橡胶柔韧性降低过高的运行温度橡胶层中织物暴露在制模期间较差的校准严重歪曲的中心轮廓不合适的安装（在执行器中上下倒置），不合适的硫化，严重的溶剂或油侵袭网格撕裂贯穿网格的高周磨损切割隔膜开裂或破裂与热相关的氧化