大亚湾及岭澳核电站旁路给水隔离阀导流环缺损原因分析

    1 引言
    核电厂给水系统（ARE）的功能是向蒸汽发生器（SG）提供给水。大亚湾及岭澳核电站的每台SG的给水管线上都设有给水调节站，每个给水调节站由1个主给水调节阀（031/032/033VL）和1个旁路调节阀（242/243/244VL）组成，在各调节阀的两侧都设有电动隔离阀（051~062VL）。给水管线隔离阀主要用于机组启-停过程中主、旁路给水管线的隔离。机组正常运行时，旁路给水调节阀与隔离阀均处于全开状态。旁路给水管线隔离阀为平行闸板阀，阀体流道采用文丘里管结构形式，为减少流体阻力损失，阀瓣支架上设有导流环装置。
    2009年1月至12月期间，岭澳核电站2号机组的3台SG给水调节阀的开度一直存在偏差较大现象，阀门031VL所在旁路给水管线流量明显低于其他2条管线。在随后的停堆换料大修中检查发现隔离阀053VL导流环断裂脱落。对大亚湾及岭澳核电站其余的旁路给水隔离阀进行解体检查发现：导流环均存在不同程度的缺损，导流环壁厚严重减薄，内外侧部分材料脱落。
    由于导流环缺损存在共模故障，严重影响SG水位稳定及下游设备运行安全。本文通过化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析等方法对缺损的导流环样品进行相应的检验和缺损原因分析。
    2 原因分析
    2.1 分析对象
    分析对象为4个缺损的导流环：大亚湾核电站2号机组ARE导流环（D2ARE053VL）、岭澳核电站1号机组ARE导流环（L1ARE053VL和L1ARE062VL）以及岭澳核电站2号机组ARE导流环（L2ARE053VL）。
    2.2 宏观形貌
    导流环壁厚测量结果表明，壁厚从一侧向另一侧呈单调变化，说明导流环的减薄与流动方向紧密相关。目视观察可见，导流环内壁出现大量拉长状蚀坑，局部蚀坑已连接成片。体视镜观察可见，导流环内壁表现出扇贝状形貌（图1），为典型的单相流流动加速腐蚀（FAC）形貌。有些部位呈现肉眼可见的宏观蚀坑和扇贝状形貌的混合体（图2）。

图1 导流环内壁宏观形貌

图2 宏观蚀坑和扇贝状形貌的混合体2.3 化学成分分析

    从导流环上取样做化学成分分析，材料化学成分均符合ASTMA216WCB标准。导流环的使用时间与FAC敏感合金元素Cr、Mo、Cu等含量间的关系见表1，其中Cr对FAC减缓作用最明显。研究表明，Cr含量从0.027%增大到0.18%，单相流FAC相对速率会降低约3/4。为防止FAC发生，核电厂常规岛多采用Cr含量为0.20%的碳钢管道。

表1 导流环中FAC敏感合金元素化学成分

    2.4 金相与扫描电镜分析
    导流环金相组织比较均匀（图3），主要是铁素体（白色部分）和少量珠光体（黑色部分）。导流环表面扫描电镜形貌为扇贝状形貌（图4），为典型的FAC特征。进一步分析发现损伤向深度方向扩展的蚀坑呈海绵状，为空蚀的特征，可判定发生了FAC与空蚀的联合作用。

图3 导流环金相组织

图4 流环表面扫描电镜形貌

    2.5 能谱分析及硬度检测
    导流环能谱分析结果表明，导流环的表面膜中检测到的Cr含量与基体中的Cr含量一致。采用显微硬度计测量导流环试样的硬度，无论是减薄还是未减薄区域的硬度值均在150~167HV之间，这说明硬度不是影响导流环缺损的主要因素。
    2.6 工作环境分析
    使用超声探测设备测量大亚湾及岭澳核电站2号机组在满功率下的旁路给水流量。大亚湾核电站2号机组旁路给水平均流量为432t/h，岭澳电站2号机组旁路给水平均流量为473t/h，均超过旁路给水额定流量295.2t/h，造成此现象的主要原因是核电厂在设计阶段选用的旁路给水调节阀保留了很大的调节余量，其全开时的对应流量（大亚湾和岭澳核电站分别为549.78、541.67t/h）接近2倍的额定流量。经计算，两电厂旁路给水隔离阀导流环介质实际流速均超过了20m/s，远超厂家要求限值（13.72m/s）。制造厂提供的阀门资料显示，流速超过13.72m/s的介质会导致阀体内部严重腐蚀。为了分析导流环缺损情况与介质流态间的关系，使用Fluent流体软件建立给水母管与旁路给水管线模型。流体力学模拟分析结果表明，现场具备导流环发生空蚀的条件。
    3 经验反馈
    大亚湾核电站的参考电厂（GRAVELIN）旁路给水设计流量为327t/h，旁路给水隔离阀为SEREG公司制造的全通径阀。经咨询法国电力公司专家，该类阀门未设导流环装置，法国电力公司所属核电厂没有发生过类似事件。岭澳核电站3号、4号机组旁路给水隔离阀选用不带导流环的全通径楔形闸阀。宁德核电厂1号、2号机组旁路给水隔离阀选用不带导流环的全通径平行闸阀。
    4 分析结果及纠正措施
    旁路给水调节阀全开时的实际流量远大于旁路给水设计流量，与旁路给水隔离阀阀体流道采用文丘里管结构一起造成导流环的介质流速超出厂家要求限值，致使导流环发生FAC和空蚀。并且导流环材料Cr含量低，导致其耐FAC性能更差，加速导流环缺损。
    因此，大亚湾及岭澳核电站旁路给水隔离阀导流环缺损的根本原因是导流环介质流速超出厂家要求限值从而使导流环发生FAC和空蚀。为降低导流环介质流速，且考虑到改变在役核电厂机组控制（同时调整主、旁路给水调节阀的开度）会引入新的潜在风险，参考外部经验反馈对大亚湾及岭澳核电站旁路给水隔离阀进行换型替代，其中阀门选用抗FAC性能高的材料。鉴于大亚湾及岭澳核电站旁路给水隔离阀以往一直没有检修要求，优化其维修周期，以便检查和更新阀门导流环的使用状态。