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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

蒸汽排水系统作为核电站二次回路的重要辅助系统,其主要目的和作用是防止凝结水在蒸汽管道中积聚,最大限度地减少汽轮机水浸和超压的可能性,保护蒸汽管道系统不受冲蚀和水击现象的影响。该系统从每个蒸汽管的低排水袋中接收凝析水,并通过气动排气阀将其注入排水集热器或直接注入凝汽器。在机组启动过程中,一旦建立了凝汽器真空,主蒸汽主管排水管将直接排入凝汽器,凝汽器需要保持真空负压。大口径蒸汽排气阀一旦发生故障需要隔离和修复,凝汽器就需要突破真空,给机组的安全稳定运行带来很大的隐患。

1 阀门及系统功能简介

电厂第二回路热循环系统的排水管装有气动排气阀,将排水引至普通汽轮机高压收集器,并将排水放进冷凝器。该阀主要由上游排水袋液位开关控制。随着排液袋液位的增加,液位开关动作被触发。当CI报警发送到主控制室时,气动排水阀自动开启排水,液面恢复后由延时继电器设定开启时间后自动关闭。所述疏水袋设置在较低的疏水点,用于收集凝结水。由于第二回路排汽阀温度高、动作频繁,采用气动硬密封球阀。受系统温度的限制,不能使用聚四氟乙烯等非金属阀座,而采用金属阀座的硬密封形式。气门球和阀座在超音速下喷涂硬质合金,其硬度高于普通堆焊层,气门球的硬度高于阀座的硬度。这种球阀结构属于浮式两片式,进气侧阀座密封,中间法兰的预紧力提供初始填料密封力,依靠进口侧阀座底部的蝶形弹簧来保持密封力。该球阀口径从1.5~4 in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1~图2所示。

2 阀后自带不锈钢管道冲蚀情况

典型蒸汽疏水球阀阀体结构图

图1 典型蒸汽疏水球阀阀体结构图

1.球体2.进口侧阀座3.弹簧4.阀杆5.阀体6.气动执行器7.指示器8.阀体螺栓9.填料组件

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ASTM A182等级F22高温锻造铬钼不锈钢,焊接管道为ASTM A106B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3所示。

球阀及控制逻辑

图2 球阀及控制逻辑


图3 减薄区域扩大检查范围

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)进行扩大检查。

从表2数据可以看出,阀后直管段漏点附近数据测量值为9.0~9.3 mm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9.0~12.2 mm之间。

表2 减薄区域壁厚测量结果mm

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PV4115一致,延伸管道管线材质为ASTM 105碳钢公称外径为48.26 m m,公称壁厚为5.08 mm。

图4 阀后碳钢段管测厚位置图

表3 碳钢段壁厚测量结果mm

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

图5 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,高倍下沟槽底部呈现明显的冲刷腐蚀形貌,宏观上有条状“水线”痕迹,高倍下(200×、500×)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4 in阀门,其阀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ASTM A182/A105的成分要求。

表4 减薄管段化学成分质量分数%

图6 碳钢管道横向金相组织(铁素体+珠光体)

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

机组正常运行时,排汽管道阀体温度在100℃以上。如果阀门没有内部泄漏,阀门后面的管道温度将与阀门前面的管道温度明显不同。阀门前面的介质是蒸汽-水两相流.本文中阀门后面的管道受到严重的冲刷和腐蚀,这本质上是由于汽水两相流体和金属表面的相对运动引起的,从而导致了金属的加速失效。一般来说,随着流量的增加,腐蚀速率增加。首先,在一定流量范围内,腐蚀速率缓慢增加,当流速达到一定临界值时,腐蚀急剧上升。在高流量条件下,不仅均匀腐蚀严重,局部腐蚀也严重。当流体速度超过“剥落速度”时,表面的剪应力大到足以撕开或剥离保护氧化膜,腐蚀过程变成了一个腐蚀过程。

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℃,压力约为1.2 MPa,阀后压力约0.01 MPa(表压,考虑阀后管线至凝汽器的管阻压降),查阅水-水蒸气热力性质表,阀前流体密度为897 kg/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。查阅水的饱和蒸汽压表,1.2 MPa对应的饱和温度为187℃,因此阀前过冷度为17℃。根据Spirax sarco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,0.01 MPa压力下,饱和液密度989 kg/m3,饱和汽密度0.068 kg/m3。由于此段管线流速未知,假设阀前流速0.1 m/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增加1000~2000倍,如此高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。

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VTI公司火箭喷镀技术,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。如此高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

高温高压凝结水通过阀门排汽阀后,发生闪蒸并产生湿蒸汽。计算后,蒸汽速度突然增加约1000×2000倍,对阀门球和阀门后连接的管道具有很强的冲刷作用。在蒸汽排水系统中,流量的快速变化是金属球阀阀体和阀门后管道内壁变薄的根本原因。因此,在阀门的预防性维修策略中,增加二次蒸汽排水系统金属硬密封球阀后管的常规管壁厚度测量项目,特别是在阀门直径范围6倍后发生严重腐蚀时,增加无损检测管壁厚度项目,可以预先判断阀门管的减薄情况。准备足够的备件,以避免蒸汽泄漏影响冷凝器的真空,并引起机组的电力波动。


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