大亚湾核电站反应堆厂房仪用压缩空气系统手动隔膜阀失效分析及改进

　第25卷　第3期核科学与工程

Vol.25　N o.3　2005年　9月Chinese Journal of N uclear Science and Engineering Sep.　2005

大亚湾核电站反应堆厂房仪用压缩空气系统

手动隔膜阀失效分析及改进

于正龙

(大亚湾核电运营管理有限责任公司技术部,广东深圳518124)

摘要:针对反应堆厂房内的SA R 供气常开隔离阀频繁发生失效外漏事件,采用根本原因分析方法对相关系统设备进行了调查和试验,对可能存在的故障模式排查、论证和分析,提出了该类事件的根本原因,并就今后SA R 系统的可靠运行提出改进建议。关键词:空气;隔膜阀;失效

中图分类号:T L387 文献标识码:B 文章编号:0258-0918(2005)03-0257-08

Root cause analysis and improvement of manually

operated diaphragm valves failure

YU Zheng -long

(Tech nical Department ,Daya Bay Nu clear Power Operations and M anagement Co.,Ltd.,

Shenzhen of Gu angdong Prov.518124,C hina )

A bstract :Use RCA (Ro ot Cause Analysis )too ls to analyze the failure of manually o pera -ted diaphragm v alves in nuclear island of Daya Bay Nuclear Powe r Station ,put forw ard the ro ot causes and im pro vem ent steps

Key words :instrument co mpressed air ;diaphragm valve ;failure 收稿日期:2005-03-30;修回日期:2005-06-06

作者简介:于正龙(1964—),男,吉林辽源市人,高级工程师,工程硕士,1989年毕业于哈尔滨船舶工程学院动力工程系,主要从

事核电站设备故障原因分析工作

大亚湾核电站仪用压缩空气系统(SA R )分为核岛、常规岛和BOP (配套设备)三部分。核岛SAR 系统分为RX 厂房(反应堆厂房)外及RX 厂房内两部分,RX 厂房内管道用不锈钢和铜制造,共有194个阀门(两台机组),其中10mm 管径供气隔离阀共168个均为天然橡胶隔

膜阀,RIN (基准标示号)代码为M BCF -WH 0008。RX 厂房SA R 系统的功能是保证RX 厂房仪用压缩空气的分配,以供应RX 厂房的气动控制装置。

RX 厂房SA R 耗气量通过主控室KSC015EN 记录仪及电气厂房KRG 控制柜计

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数器监视,正常运行时RX厂房耗气调节量在5～6m3/h。当耗气量增加至12m3/h时(技术规范要求低于15m3/h),由值长召集相关人员组成查漏小组,执行RX厂房查漏规程F9SA R001;耗气量等于或大于60m3/h或出现报警信号SAR001AA时,需执行事故规程ISA R002进行处理,机组被迫后撤至冷停堆。技术规范对安全壳年累计排放的限值为80h。

RX厂房SA R系统供气阀泄漏,增加了反应堆厂房气体排放量,危及安全相关设备正常运行,因带功率进入RX厂房查漏而增加了维修、运行及相关人员的人身风险和辐照伤害。本文对RX厂房内的SA R供气常开隔离阀频繁发生失效外漏事件进行分析并提出改进方案,以期从根本上解决该类故障。

1　事件描述

有事件单记录的RX厂房SAR阀门泄漏发生在1996年3月,实际上从电站运行开始,几乎每年都因阀门泄漏多次进入RX厂房查漏、消漏。1995年安全壳年累计排放接近80h 的技术规范限值;1997年初,因阀门持续重复外漏将该事件确定为内部运行事件,由当时的技术支持处负责调查分析并提出了改进行动; 2000年阀门泄漏造成最大耗气量曾达到55 m3/h,同时带来人员辅照剂量超标及违反电厂辐射防护规定事件时有发生。外漏阀门均为10mm管径、型号为M RCFWH0008的天然橡胶隔膜阀。

1994年,维修部门提出改造申请,1995年FRA MEX公司将该阀门的螺栓加长,并增加了防松螺母,对螺栓及防松螺母重申了规定的安装力矩值,同时要求针对该型号阀门对维修及运行人员进行培训;2000年,维修部静机处修改了维修大纲,将橡胶隔膜的更换周期由原来的3年改为每年更换红区的橡胶隔膜、每两年更换其余区域橡胶隔膜,同时针对发现的问题制定了详细的保证工作质量的补充指令。之后的2001年未因RX厂房耗气量过大而执行查漏程序。

2002/2003年,1号机组的SA R592VA阀又出现外漏并致使人员多次进入RX厂房堵漏;2003年2月,SA R634VA阀也因螺栓松脱发生外漏。

2　分析过程及结果

2.1　分析过程

对本事件的分析按照如下过程进行:

1)收集隔膜阀故障的相关原始证据,确认问题所在和故障的范围(故障来自于隔膜阀阀体与隔膜之间的外漏);

2)列举所有可能的故障模式;

3)针对故障模式的特征和表现形式作出进一步调查和分析;

4)根据各种证据,对所有故障模式逐一进行分析、论证和排除;

5)收集国内外该类阀门运行的经验反馈;

6)通过分析和故障推理,最终找出根本原因及影响因素;

7)针对根本原因及涉及到的相关影响因素等分析,制定相应的纠正措施。

2.2　故障模式分析结果

根据对型号为MBCFWH0008的SAR隔膜阀(见图1)外漏事件的调查和试验分析,罗列出可能的故障模式,并对每一模式进行论证

,

图1　RX厂房SA R系统10mm管供气隔离阀

Fig.1　10mm diaphr ag m valve in

RX building of SA R system

分析结果认为:RX厂房SAR隔膜阀外漏故障的直接原因是由于现场安装过程不当或处于特殊辐照环境,出现阀体滑丝、阀体变形(图2)、隔膜损伤或隔膜老化(见图3)等故障,进而导致隔膜与阀体间预紧力降低所致。而阀门在结构设计及选材上存在不足、阀门可靠性降低是造成外漏的根本原因;检修规程缺陷以及安装

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控制、备件使用等方面存在薄弱点也是造成阀门失效泄漏的促成因素。可能的故障模式及分析论证结果见表1

。

图2　供气隔离阀阀体变形

F ig.2　bo dy disto r tion of diaphragm v alv

e

图3　现场使用的供气隔离阀

橡胶膜挤出老化龟裂

F ig.3　aging and chap of v alv e

diaphrag m

表1　RX 厂房SAR 供气隔离阀外漏故障模式可能性分析Ta ble 1　causation factors analysis of valve leakage failure

序号

可能故障模式

支持的证据

反对的证据

可能性

1

设计结构缺陷

1)设计上存在有多处与核岛阀门规范、分级手册及运行维修手册要求不一致

2)青铜阀体较软,不锈钢螺栓及防松螺母极易造成阀体内螺纹损坏滑丝,使密封件预紧力不能满足要求3)螺栓及螺母过度靠近阀体,力矩扳手操作困难

4)阀体内螺纹结构使防松螺母的使用产生较多负面影响

严格仔细安装后,97%的阀门没有外漏

高

2安装缺陷2.1

安装力矩过大

更换下的隔膜检查及阀体变形、螺纹滑丝现象表明某些阀门安装力矩过大,现场某些安装位置无法使用力矩扳手如果阀门结构没有损害,力矩过大不会导致泄漏。中高

2.2安装力矩不足

更换下的隔膜检查有紧力不足现象,安装后现场检查有力

矩不足现象,现场某些安装位置无法使用力矩扳手;安装防松螺母过程不当,将使螺栓松脱,力矩丢失

现场安装有明确力矩值要求和合格的工具使用,该类隔膜紧固一段时间后会屈服松驰中低2.3安装程序缺陷合并使用结构形式不同的其他阀门的检修安装规程,程序内容及安装过程不能满足要求

检修人员熟知该阀门结构及安装方法

中低

3隔膜老化3.1

　隔膜备件储存超过要求期限

EOM M 手册规定隔膜备件出厂后在储存条件下的储存时间为5a 。但仓库内隔膜备件有两种,其中随阀门备件在1995年验收的隔膜已超出储存期限

近几年隔膜更换均为区域性批量更换,周期缩短,外漏故障并未表现为批量故障模式低

3.2运行环境温度高某些阀门运行区域温度较高,温度高将使橡胶老化速度加快

泄漏阀门位置环境最高温度为31℃,隔膜允许最高运行温度为95℃

低

3.3

辐照环境(红区)使隔膜老化试验分析报告证明:辐照环境对隔膜老化有显著影响,相对红区隔膜老化严重

近几年隔膜更换均为区域性批量更换,外漏故障并未表现为批量故障模式

中

3.4化学沾污0版规程曾要求使用丙酮作为阀门清洗剂M S M 称现场已不再使用丙酮作为清洗剂

低

4运行操作不当

阀门关闭有力矩要求,过度关闭阀门将使阀体变形受损;

过度开启将使阀门密封隔膜长期受拉变形及老化

尽管更换下隔膜较多有明显

拉伸变形,但并未导致大量泄

漏阀门

中低

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3　可能故障模式的详细分析

发生泄漏的SA R 阀为ALSTH OM FLU -IDES 的产品,RIN 编号为M BCFWH 0008,阀门长5cm ,宽4cm ,带手轮高度为6.5cm ,进出部分为内径10m m 插套,流通内径8m m 。结构如图1所示。阀门类型为手动隔膜阀,阀帽(见图4)、隔膜及阀体(见图5)通过2个M5×16不锈钢螺栓紧固在青铜阀体内螺纹上,FRAM EX 公司改造后增加了尼龙嵌入式防松螺母(见图6);天然橡胶隔膜(见图7、8)同时作为密封件对阀帽阀体起密封作用,螺栓拧紧力矩要求为(5±0.5)N m ,阀门关闭力矩为(4±0.1)N m 。阀门设计运行条件:最大运行压力为16×105

Pa ,最高运行温度为95℃;SA R 系统运行压力为(6.8～9)×105Pa ,最高温度为54

℃。

图4　阀帽及螺孔位置F ig.4　bo lt position on valve bonne

t

图5　隔膜阀阀体及隔膜(旧)Fig.5　w or n diaphrag m and valve bo

dy

图6　隔膜阀底部视图及螺母位置Fig.6　bot to m view of v alve body a nd

nut

图7　M BCFW H0008隔膜阀橡胶隔膜(新)

Fig.7　new diaphragm

spare

图8　M BCFW H0008隔膜阀橡胶隔膜(旧)

Fig.8　w o rn v alv e diaphrag m

3.1　阀门设计结构存在缺陷3.1.1　设计文件存在缺陷

1)阀门装配图与运行维修手册(EOM M )

及改造文件中所列外形接口图不一致,同一RIN 编码指示了两种阀门类型。在EOM M 及

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改造文件中外形接口图显示该型阀门使用四螺栓、通过螺母紧固力矩。

2)装配图对阀体内螺纹结构指示及安装要求不清,易引起安装错误。

3)EOM M中没有该阀门的安装使用说明(只有该型阀门的应用)。其螺栓安装力矩及阀门关闭力矩值均与铸钢、四螺栓固定、同样设计压力等级的阀门相同,使用可靠性低。

4)原版及在用的检修规程注释为:直径不大于50m m,压力等于10.34×105Pa,隔膜阀除位置指示器外,所有结构都相同(四个螺栓螺母固定)。但该型阀门的结构过度简化,相对变化较大,规程未加详细注释。

5)手动隔膜阀具有的特性设计(铸钢阀体、阀帽对隔膜的包容、阀帽与阀杆间O圈密封、阀帽上隔膜内泄漏探测孔及试验螺塞等),该阀门都不具备,与核岛阀门规范(GD/ RE-86.0300/S TAE)关于手动隔膜阀的要求不符。

6)电站阀门分级手册中对部分RX厂房SA R系统隔离阀有RCC-P3(压水堆系统设计和建造准则,安全3级)等级要求,该阀门材质及等级与设计要求不符。

3.1.2　结构缺陷

1)阀帽、阀体与隔膜间密封接触面为最外缘2m m左右区域(见图4、5),相互间平面固定由2个螺栓完成(见图6,连线与流向成45℃)。因此,螺栓松动、阀门平面变形、隔膜边缘损伤及不适当操作都将引发阀门外漏。

2)阀门紧固螺栓螺帽部分及锁紧螺母过度靠近阀帽及阀体(制造缺陷)(见图4、6)(机械设计手册对距离有明确要求),力矩扳手使用受到较大程度限制,现场安装困难。

3)阀帽结构对隔膜无包容作用,安装后挤压露出,使隔膜腐蚀老化过程加快(见图3)。

4)阀门无限位指示,阀门全开时对隔膜产生过度拉伸变形(见图5、8)。

5)不锈钢螺栓与青铜阀体内螺纹配合紧固阀门,阀体内螺纹易受到损伤,造成滑丝松脱。

6)1995年对阀门进行改造,加长了螺栓并增加了尼龙嵌入式锁紧螺母(原设计没有螺母)。由于安装摩擦力较大,安装螺母过程中易使螺栓产生反向松解,使力矩丧失;此种安装形式加大了工作强度及安装难度,影响安装质量;另外,由于螺母安装无力矩要求,过度上紧螺母也将使青铜阀体内螺纹损坏,阀体变形。

7)阀门隔膜为天然橡胶材质,其耐辐照、腐蚀及耐高温性能均不如其他种类橡胶(如EPT橡胶)。

3.1.3　分析及结论

从设计功能上看,该阀门可以满足运行工况要求。但由于该类型阀门设计结构及材质的特殊性,其强度及结构可靠性裕度过低;另外,由于设计安装文件不完整,加工工艺粗糙(螺孔及内部结构)等缺陷,对现场安装及运行操作的要求过于苛刻,多方面的外在因素变化都可能导致阀门故障。因此,该型阀门使用于RX厂房尤其是核安全重要系统气动阀的供气回路上,对电站安全及可用性带来较大风险。

3.2　安装缺陷

1)螺栓拧紧力矩过大

大亚湾核电站2号机组第9次大修(D209大修)中更换下6个阀体滑丝或变形的M BCF-WH0008隔膜阀,1号机组第9次大修(D109大修)中又更换下16个,半数阀体变形情况较为严重。检查D209大修中更换下的隔膜,厚度测量变化较大。现场工作环境显示,某些安装位置无法使用力矩扳手,只能使用普通扳手依经验安装;部分区域辐射剂量较高、阀门结构缺陷及力矩扳手结构局限性,对安装质量将产生不良影响;由于过去频繁外漏情况的原因不明确,检修人员安装时担忧力矩不足,对易外漏部位有加强紧力的可能;另外,安装过程对防松螺母无力矩要求,过度的紧力也将造成螺栓过力矩情况。以上分析表明,安装过程存在有过力矩现象,但一定的过力矩值,如果阀体强度足够(不变形及滑丝),造成阀体外漏的可能性很小。

2)螺栓拧紧力矩不足

D209大修后,设备管理处与静机处共同对2RX厂房该类阀门进行检查,发现部分螺栓紧力不足(不排除橡胶压紧后弹性力随时间逐渐降低的可能性),三个阀门没有锁紧螺母;D109

261

大修中发现有锁紧螺母装反情况;锁紧螺母安装过程不当,也将使螺栓反向松脱,造成紧力不足;环境、工具及阀门结构等因素也将造成力矩不足的情况。但从运行及阀门故障历史看,螺栓松脱造成阀门外漏现象已引起检修人员高度重视,防松螺母的使用及相关补充工作指令从另一方面防止了力矩不足现象的产生。

3)规程缺陷

该类型阀门使用的检修规程为PMC VVSI001《SIERS手动隔膜阀全面检查》,该规程涵盖满足直径不大于50mm、压力等级等于10.34×105Pa以下的所有手动隔膜阀。实际上MBCFWH0008阀门结构差异较大,从1999年才开始合并使用该规程,并在规程中另外附加了该阀门的装配图。

从规程内容看,所有工序对应于四螺栓连接、阀体对隔膜具有包容结构、坚固力矩通过上紧螺母来完成的手动隔膜阀。因此,使用该规程安装MBCFWH0008隔膜阀存在如下问题:

(1)图纸中无防松螺母部件安装要求(中文版未做修改);

(2)工序7、8的内容(检查和更换)不适用于该阀门;

(3)工序9中对螺母的润滑操作不可用于该阀门的防松螺母;

(4)防松螺母安装无任何要求(注意事项及力矩要求);

(5)如果严格按照工序9中第7～10步安装阀门并上紧力矩,阀体将会因阀芯的反作用力造成螺孔滑丝或阀体变形。

4)分析及结论

从以上分析可以看出,安装过程中确有力矩过大或不足的现象存在,不合适规程的使用也会造成阀门损伤。近两年阀门运行情况(外漏频率及漏量)有所改观,除因强调并采取加强质量控制的措施外,维修人员对该阀门特性了解的增多,也使安装工作质量得到一定提高。总体上看,目前的安装质量控制可以满足阀门运行要求。但由于该类阀门在役时间大多超过10a(个别更换过),过去不适当安装过程造成的缺陷累积无法从根本上清除,仍然存在较大的阀门外漏风险。3.3　隔膜老化

1)仓库储存隔膜现状

仓库储存的隔膜备件目前有两种:一种为单独包装的隔膜,验收日期为2001年和2002年,储存有效日期标明为5a;另一种为随整阀备件一起验收的隔膜(与阀门同一包装),验收日期为1995年。EOM M手册对隔膜的储存使用要求为:出厂后储存5a内为有效期;使用于安全系统的隔膜每6a进行更换,使用于非安全系统的隔膜每10a进行更换。因此,随整阀备件一起验收的隔膜已不能满足使用要求。但从检修过程看,整阀备件更换中存在有使用过期隔膜的可能性。

2)隔膜老化失效试验分析

将4个新隔膜备件及D109大修更换下的31个旧隔膜外送试验分析,结论如下(参见长春应用化学研究所《SA R系统隔膜失效分析及试验》报告):

(1)隔膜材质为天然橡胶硫化而成;

(2)10个一年更换的隔膜中有4个严重老化;21个两年更换的隔膜中有两个严重老化;相对红区隔膜老化程度较大;

(3)以燃气密封橡胶使用标准检验,送检的31个样品全部失效;

(4)拉伸应力加速隔膜老化过程;综合剂量率5～10mSv/h区域辐照对隔膜影响较大;

(5)2个新备件样品(2002年验收)可能存在质量缺陷。

3.4　运行操作的影响

1)阀门开启

对更换下的隔膜检查发现,部分隔膜拉伸永久变形量较大(见图5、8)。变形原因一方面与隔膜老化程度有关,另一方面,运行时长期保持在全开位置致使隔膜过度拉伸。阀门内部结构显示,隔膜从关闭位置开启至隔膜恢复原状(阀门结合部水平面)即可满足阀门开启功能要求。由于该阀门无开启限位指示,运行在线时该阀门的开启保持在全开位置,这样的后果使得隔膜长期处于较大拉应力工作状态,橡胶隔膜性能受到影响;同时,由于密封部位也受到较大的拉伸作用,密封紧力降低后也会造成阀门的外漏。

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2)阀门关闭

EOM M手册中规定了手动隔膜阀相应的关闭力矩值。由于关闭阀门的力矩无法在运行操作中测量,规定的力矩值只是理论数据而无法实际执行。按运行操作的要求,阀门全关时应尽力将阀门关至手轮不再移动,而操作力度因人而异,因此当关闭力矩过大时,可能造成阀体螺纹损伤和阀体变形。

3)分析及结论

由于运行人员对该阀门结构及特性无从了解,运行在线中对该阀门的开关操作无相关要求,因此阀门的全开全关操作凭经验进行,可能会对阀门隔膜及本性存在较大冲击。同时,由于多数阀门处于长期运行及频繁维修状态,阀门整体结构承受外力冲击的能力降低,使运行操作造成阀门损伤及外漏的风险增加。

4　故障原因逻辑推理和分析结论

大亚湾核电站SAR系统部分隔膜阀的选型和使用,一开始便与初始设计要求相矛盾。对相关设计文件及技术数据进行的分析表明:该型阀门结构不同于系列手动隔膜阀的一致性要求,其安装及维修过程无法与其他手动隔膜阀等同。同等设计压力等级下、同样的安装力矩要求,采用两螺栓紧固密封的可靠性大大低于采用四螺栓的紧固结构,而EOMM手册及检修规程中没有考虑该阀门的特殊性,对原设计图纸的不完整修改和拼凑,几乎可以推断该型阀门有被随意替换的可能。

电站运行初期该型阀门的频繁外漏,已暴露其设计可靠性裕度低的特点。尽管从维修、运行及技术支持角度已注意到其结构及材质使用方面的缺陷,并提出相关改造或替换要求,但并未从根本上解决问题。随着运行周期的增加,多方面缺陷的积累造成部分阀门外漏已无法避免。

2000年更改了维修大纲,目的是防止因RX厂房、尤其在红区的高剂量辐照引起隔膜老化而造成的阀门外漏。从隔膜老化分析及RX厂房剂量分布来看,辐照对隔膜老化有一定影响,但不是阀门外漏的主要原因,在有效的使用周期内不会引起阀门失效。相反,隔膜更换频度增加,不仅增加了维修成本,也使该型阀门整体可靠性进一步降低。

由以上推理可得出结论:SAR系统选用的型号为M BCFWH0008手动隔膜阀,设计结构及选材存在固有缺陷,阀门可靠性较低,这是阀门频繁外漏的根本原因。部分阀门由于现场安装过程不当或处于特殊辐照环境,出现阀体滑丝、阀体变形、隔膜损伤或隔膜老化等故障,进而引起阀门外漏。

另外,手动隔膜阀检修规程(应用于直径不大于50mm,压力等于10.34×105Pa)不能满足该类阀门的正确安装要求。阀门紧固形式的改进(增加了嵌入式防松螺母)使安装过程复杂化、实际的运行操作过程无法控制等,也是造成阀门损坏、外漏的重要因素。

5　改进建议及执行情况

1)对阀门实施改型替换

从目前运行维修情况看,该型阀门故障外漏的频率相对来说并不高,关键在于该阀门所处重要位置及外漏后果的严重性。由于10a 运行及维修遗留的缺陷无法全部清除,其潜在的外漏风险依然存在。另一方面,从运行条件(干燥空气介质,8×105Pa压力)及使用频率(常开阀门每次大修才有操作)看,对阀门并无特殊要求(该型阀门的设计可靠性为最低等级H-C3);但由于阀门安装过程复杂、对安装质量及运行操作要求苛刻,必然造成阀门故障概率增加。故障维修的增加带来放射性区域维修工时的增加与辐射防护最优化原则要求不符。

根据以上分析结果,在该型阀门基础上继续实施改进措施意义不大,有必要进行改型替换。

2)阀门替代及试验

经替代程序批准的新型阀门为高性能防外漏双阀座石墨盘根的SWAGELOK不锈钢针阀,其耐温耐压性能均优于原有阀门,质量为0.45kg,具体型号为:SS-6NBS10M M-G,制造厂为美国SWAGELOK。经维修部静机处、技术部设备管理处与工程处共同调研论证:该针阀具有比隔膜阀更好的通流性,安装比原有隔膜阀方便,防运行外漏可靠性高,价格不到原有

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阀门的一半。使用此类阀门节省了设备维修费用,提高了阀门的可靠性,从而提高了供气阀服务的主阀的可靠性。

阀门替代试验已在大亚湾核电站D109大修和岭澳核电站L101大修中实施(D109大修替代18个,L101大修替代17个),替代位置为核岛SA R系统中温度较高、辐射较为严重的环境或过去容易产生外漏的SA R供气隔膜,替代周期试验合格后将执行全部更换。

3)改进行动涉及范围

本文是针对大亚湾核电站2台机组SAR 系统RX厂房手动隔膜阀外漏事件所进行的根本原因分析,分析方法和结果同样适用于岭澳核电站,分析结果也可作为后续核电机组SAR 系统设计的重要参考。

大亚湾核电站从运行开始,MBCF-W H0008型阀门在使用过程中所暴露的问题及带来的后果,已引起多方面的重视。事件发生后,对岭澳核电站SAR系统相关的设计文件及备件情况进行了检查,该型阀门仍然在使用,阀门的材质、内部结构,隔膜型号及阀门安装要求完全相同,所作的改进有:螺栓的长度加长到25m m、螺帽改为内六角形式、阀体上的内螺纹改为光孔,并继续使用防松螺母。问题是对同型阀门结构多次反复改造,不但其依据和作用不清,相反会使维修人员产生更多的混淆。

从制造质量方面看,岭澳核电站1号机组接产后即发现有7个该型阀门阀体缺陷外漏, 2003年第一次大修中又有12个阀门被检查出阀体缺陷外漏。岭澳核电站使用的该型阀门隔膜在制造上存在的缺陷,使阀门外漏的可能性增加。

根据以上分析,建议广东核电今后将建的核电站的SAR系统不再使用该型阀门。

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