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蒸汽疏水管道金属硬密封气动球阀故障原因分析及处理

梅索尼兰阀门(苏州)有限公司-【官网】  发布时间:2019-05-29 00:00:00  阅读次数:757

摘 要:核电厂二回路蒸汽疏水系统管路上,金属硬密封气动球阔在机组运行多年后发生了阔体冲蚀、阔后管道管壁减薄现象,最终导致管道穿孔后高温蒸汽泄漏。文中通过对故障阀门及管道的多方位分析,找出阀门故障出现的根本原因,并针对性地提出了相应的后续建议,提高了核电机组二回路阀门运行的可靠性,对于同类型金属材质硬密封阀门的预防性维修工作具有指导意义。

关键字:金属硬密封 球阀 故障


 

0 引言

蒸汽疏水系统作为核电厂二回路一个重要的辅助系统,其主要目的和功能是防止凝结水在蒸汽管道中聚集,将汽轮机中的水浸入和趙压的可能减到最小,同时保护蒸汽管道系统,防止发生侵蚀和水锤现象。系统接受各蒸汽管道的低位疏水袋内的凝结水,经气动疏水阀汇集到疏水集管或直接排向凝汽器。在机组启动过程中,一旦凝汽器真空已经建立,主蒸汽母管疏水将直接排至凝汽器内,凝汽器内需保持真空负压的有效。一旦大口径蒸汽疏水阀门出现故障需要隔离维修时,凝汽器需要破真空,给幢安全稳定运行带来很大的隐患。

2014年电厂2#机组正处于大修结束后期启机阶段,主蒸汽母管至凝汽器疏水阀2-45210-PV4115动作时,发现阀后所在管线有蒸汽外漏,呈喷射状(如图1所示),机组被迫将主蒸汽母管疏水由凝汽器切换至大气。

图1 蒸汽疏水阀后管道砂眼蒸汽喷射

2012年电厂1#机组大修期间在执行蒸汽疏水阀门预防性维修解体工作时,检査发现1-45210-PV4107阀门阀芯及阀座部件、阀后碳钢管道冲蚀严重(如图2、图3所示),不得不进行整阀及阀后部分管道的更换。

图2 冲蚀严重的阀球

图3 球阀阀座硬质合金涂层冲蚀剥落

1 阀门及系统功能筒介

电厂二回路热循环系统疏水管道配有气动疏水阀,将疏水引向一个公用的汽轮机高压集管,将疏水排放到凝汽器中。该阀门主要受上游疏水袋液位开关控制,随着疏水袋内液位升高,触发液位开关动作,在向主控室发出CI报警的同时气动疏水阀自动打开进行排水,在液位恢复后,经延时继电器设定开启时间后自动关闭。疏水袋布置在较低的疏水点,用于收集冷凝水。二回路蒸汽疏水阀等由于温度较髙,动作较为频繁,采用气动硬密封球阀。受系统温度限制,不能使用聚四氟乙嫌等非金属阀座,而采用了金属阀座的硬密封形式,其阀球和阀座超音速喷涂了硬质合金,硬度比普通的堆焊层髙,同时阀球的硬度髙于阀座的硬度。该类球阀结构上属于浮动两片式,进口侧阀座密封,中法兰的预紧力提供初始填料密封力,并靠进口侧阀座底的蝶簧保持密封力。该球阀口径从1.5-4k不等,压力等级为CL600与管道下游的连接方式为对接焊,属气动两位开关阀,气缸为带手轮操作装置的弹簧复位式单作用活塞式气缸,如图4~图5所示。

图5 球阀及控制逻辑

2 阀后自带不绣钢管道冲蚀情况

蒸汽疏水球阀在安装时本身自带一段管道,以阀后管线砂眼的PV4115为例其材质为ASTMA182等级F22高温锻造铬钼不锈钢,焊接管道为ASTMA106B高温作业用碳素钢无缝钢管。本次发现泄漏的部位并非位于系统碳钢管道上,而是在阀门自带的不锈钢管段。阀后自带管段壁厚测量方式如图6所示。

图6 PV4115蒸汽

利用超声波测厚仪(型号26MG,仪器精度±0.1mm)对阀后不同材质管道进行逐点测厚,如表1所示。

表1 壁厚测量结果      mm

根据表1测量数据发现不锈钢管段A3区域测厚数据发生了异常减薄,而焊缝后的碳钢管段未见明显管壁减薄现象。其他区域壁厚分布无明显规律性。随即对漏点区域(长度为阀门法兰至管道变径处,宽度为管道底部中心向两侧延伸各45°位置)进行扩大检査。

从表2数据可以看出,阀后直管段漏点附近数据测量值为9.0~9.3mm之间,对其进行扩大检测,发现管道底部一整片区域数据异常,区域内部分位置超声波测厚仪无法获得反射数据,可测得数据在9.0~12.2mm之间。

3 阀后延伸碳钢管道冲蚀情况

以PV4107为例,阀后自带管道材质与PV4115—致,延伸管道管线材质为ASTM105碳钢公称外径为48.26mm,公称壁厚为5.08mm。

结合图8、表3可以看出,PV4107阀后碳钢管段从焊缝位置后50mm开始大部分区域逐渐发生了减薄,最薄处仅为2mm,发生在阀后约4-6倍管径处,详见图9。

图7 减簿区域扩大检查范围

图8 阀后碳钢段管测厚位置图

表3 碳钢段壁厚测量结果          mm

图9 管壁减薄显微图

对阀后管道进行剖开目视观察,管内表面形貌具有明显的沟槽状。进一步对管内表面进行宏/微观分析,样品1处宏观可见明显的沟槽,髙倍下沟槽底部呈现明显的冲刷腐蚀形貌,宏社有条状“水线,,痕迹,髙倍下(200x、500x)观察可发现,此“水线”实为沿流速方向冲刷的小凹坑。其他冲蚀减薄部位形貌与样品1处基本相似,均为沿流体方向的线状冲刷凹坑。该凹坑现直接导致管道壁厚的减薄直至腐蚀穿孔。

综上所述,蒸汽疏水气动球阀阀后的管道管壁减薄情况,不仅仅出现在阀门自带不锈钢部分,其延伸的碳钢管道也会出现不同情况的管壁减薄情况。对于大口径4in阀门,其阔后管道壁厚的减薄集中出现与底部两侧45°区域,小口径管道则呈现出整个环状管壁减薄。

4 管壁减薄原因分析

4.1 化学成分及金相分析

采用电感耦合等离子光谱发生仪(ICP)对减薄管段化学成分进行分析,结果如表4所示。基体化学成分符合ASTMA182/A105的成分要求。

表4 减薄管段化学成分质量分数       %

从样件的化学成分可以看出,不论是阀后自带不锈钢管段还是与系统接口的碳钢管道,其化学元素含量均满足标准要求,可以排除自身材质问题。

4.2 阀后管壁减薄原因分析

4.2.1 流速对管壁减薄影响

蒸汽疏水管道在机组正常运行期间其阀门本体测得温度在100°C以上,若阀门不出现内漏则阀后管道温度与阀前会存在明显的差异。阀前内介质为汽水两相流,本文中出现的阀后管道严重冲刷腐蚀,其实质为汽水两相流体和金属表面的相对运动而引起金属的加速破坏现象。一般来说随流速増大,腐蚀速度随之増大。开始在一定的流速范围内,腐蚀速度随之缓慢增大,当流速达到某临界时,腐蚀急剧上升。在髙流速条件下,不仅均匀腐蚀随之严重,而且出现的局部腐蚀也随之严重。当流体速度増大到“剥离速度”以上,表面的剪切应力大到可以撕裂或剥离保护性氧化膜,此时腐蚀过程变为磨蚀过程。

4.2.2 流速分析

以文中提及的PV4107为例,查阅给水加热和抽汽系统手册,PV4107阀前疏水袋温度约为170丈,压力约为1.2MPa,阀后压力约0.01MPa(表压,考虑阀后管线至凝汽器的管阻压降),査阅水-水蒸气热力性质表,阀前流体密度为897kg/m3。在这种情况下,只要阀门略有节流降压,流体就会发生闪蒸,产生该压力下的饱和水以及饱和汽。査阅水的饱和蒸汽压表,1.2MPa对应的饱和温度为187°C,因此阀前过冷度为17°C。根据Spiraxsarco闪蒸蒸汽计算软件,求得冷凝水经过PV4107阀后,约产生13.7%(质量百分比)的蒸汽。查阅水-水蒸气热力性质表,0.01MPa压力下,饱和液密度989kg/m3,饱和汽密度0.068kg/m3。由于此段管线流速未知,假设阀前流速0.1m/s,则阀前流量为

阀后流体流速为

上述计算表明,此工况下发生闪蒸后阀后流体速度会増加1000~2000倍,如此髙流速的湿蒸汽对阀后管道产生极强的冲刷作用,形成所示冲刷形貌。

图10 碳钢管道横向金相组织(铁素体+珠光体)

该阀球材料为410SS/RAM31,阀球后管段材料为A182-F22/RAM31。410SS以及A182-F22分别为马氏体不锈钢和Cr-Mo钢,RAM工艺为VT讼司火箭喷镀技术,在材料表面喷涂一层硬质合金,RAM31为在阀球和阀球后管道表面喷涂一层80%Cr2C3+20%Ni-Cr粉末,表面硬度可达66~69HRC。如此髙的硬度下阀球发生破损,这表明经过阀球后流体流速非常快,冲刷作用很强,与上述计算结果一致。

5 结论

高温髙压冷凝水经过阀蒸汽疏水阀后,发生闪蒸,产生湿蒸汽,经计算闽后蒸汽速度会陡然增大约1000~2000倍,对阀球及阀后连接的管道产生极强的冲刷作用。这种流速的急剧变化是造成蒸汽疏水系统金属球阀阀体及阀后管道内表面形成众多沟槽、管壁发生减薄的根本原因。因此在阀门的预防性维修应对策略上,对于二回路蒸汽疏水系统的金属硬密封球阀阀后管道,增加定期的管道壁厚测量项目显得非常重要,尤其是针对冲蚀严重的阀后6倍管径范围内,増加无损检测管道壁厚项目可提前判断阀门管道的减薄情况,准备充足备件以免出现蒸汽泄漏影响凝汽器真空度给机组电功率造成波动。

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