1、概述

　　國內某核電站自商運以來，反應堆硼和水補給系統制硼罐出口隔離閥( 球閥REA180VB) 已累計發生了近10次故障，其中有3次是出口聚四氟乙烯(PTFE)閥座破碎的情況。經調查，其他核電站同類閥門也存在相似的故障。這是一種重發和共模事件。

2、系統配置

　　球閥(圖1) 壓力級別為150磅級，插套焊接。閥體、閥蓋和球體材料為Z2CND18-10，閥門的非金屬部件有PTFE 閥座和三元乙丙橡膠(EPDM) O形圈，閥門的設計溫度為-10 ～ 180℃。球閥作為補給系統制硼罐出口隔離閥，位于REA001TY 管線上(圖2)。球閥因故障解體檢查時發現，出口側閥座已經破碎，入口側閥座的結構還比較完整(圖3)，閥座和閥體的EPDM 密封O 形圈已變形，無彈性。為了防止硼結晶，管線上安裝的硼加熱系統(RRB)設有正常加熱電路和應急加熱電路，以確保含硼管線的溫度在硼結晶溫度以上。正常和應急加熱電路電熱絲(RS)的啟動和停止通過溫度開關(ST)控制。正常加熱電路在溫度低于77℃ 時啟動，高于82℃ 時停運。應急加熱電路在溫度低于72℃時啟動，高于77℃ 時停運。當應急電路投入時，中間控制室會發出應急加熱投運報警(RRB301AA)。此外，REA001TY管線有獨立的測量通道(RRB001MT)進行溫度監測。加熱系統的傳感器安裝在球閥上游，設計上是以該位置的溫度值控制正常和應急電路的啟動和停止。

1.O 形圈 2.閥座 3.閥芯 4.閥體

圖1 球閥

　　電熱絲型號為2-A-08-I，長度4.7m，電阻為21.1Ω，電流為4.16A，電壓為72V，功率為245W±15%。導熱材料為多飛特合金(TOPHET)，包殼材料為不銹鋼，設計的最高工作溫度為600℃；理論計算得出20℃下電熱絲的最高溫度為225℃。REA001TY 管線上只有止回閥到制硼罐之間裝有保溫，保溫內的管線和閥門纏有電熱絲。相關管道的直徑均為2in.(50 8mm) ，壁厚為2.77mm，材料為L304。

圖2 與球閥相關設備布置

3、現場溫度

　　球閥出現故障以后，首先對其相關管線的溫度進行調查，包括測量通道溫度和閥門維修后的現場溫度測量跟蹤。

3.1、測量通道溫度

　　從電站集中數據處理系統(KIT)查詢的測量通道連續1 年的管線溫度變化情況(圖4) 可知，無論是無制硼操作或制硼操作期間均沒有發現溫度超過80℃的情況。無制硼操作期間(罐中為除鹽水)，測量通道的溫度在72℃左右，制硼期間(罐中為含硼水) ，測量通道的溫度升降變化明顯。這是因為每一次傳硼結束后，都要補充溫度較低的除鹽水，所以制硼罐內溫度下降較快，而后由于水箱內加熱器的投運，溫度較快回升。

　　由于傳硼期間，測量通道測得的最低溫度大部分低于60℃，低于應急回路的啟動溫度72℃時，因此應出現應急加熱投運報警，但運行操作記錄中沒有報警記錄。現場確認報警盤燈無異常，是調試期間應急報警信號線接反，導致整個加熱系統應急報警無法發出。

(a) 出口側(b) 入口側

圖3 損壞的PTFE 閥座密封件

圖4 測量通道溫度變化情況

3.2、維修后現場溫度

　　球閥檢修后兩端的溫度相差很大(表1)，下游端的溫度在沒有安裝保溫的情況下已經接近閥門的最高設計溫度180℃(圖5) 。但測量通道中從來沒有顯示出管線溫度超過100℃的情況。分析確定，因為測量通道安裝在球閥的上游，而制硼罐通常都充有除鹽水( 約1.5m3 ) ，且通大氣，所以球閥上游的實際溫度不能超過100℃。測量通道的監測記錄表明，測點位置的溫度均小于80℃。入口側的溫度為80.6℃，僅比制硼罐水箱的水溫高約10℃。

表1 球閥檢修后溫度℃

4、原因分析

4.1、出口閥座溫度超高

　　PTFE一般使用溫度-200 ～ 260℃。熔融溫度為327℃，溫度過高(390℃以上) 會加速PTFE的分解。從閥座破碎分析，出口閥座的溫度至少達到了熔融溫度，才能出現“燒結”狀破碎。電站集中數據處理系統查詢結果表明，無制硼操作期間測量通道測得的溫度72 ～ 80℃。這個溫度范圍內，管線有一個加熱電路(正常或應急) 在運行，即存在一個持續的熱源。由于有持續的熱源，就會有2種可能的故障模式導致球閥出口閥座密封件溫度超過180℃。

圖5 檢修后球閥溫度測點的位置

　　(1) 第1 種情況

　　球閥下游管線未充滿水，導致球閥出口閥座密封件與其下游管線處于干燒狀態。傳熱學計算表明，絕熱情況下，正常電熱絲把制硼罐1. 5m3 水的溫度由25℃升高到82℃而退出運行需要3.65 天。而若球閥與止回閥之間無水，無水管線由25℃達到電熱絲最高溫度225℃的時間僅為0.78h。實際在沒有保溫的情況下，閥門出口側的最高溫度已達177℃，說明了閥座出口密封件在管線未充滿水的情況下，其超過設計溫度的可能性很高。

　　(2) 第2 種情況

　　球閥下游管線充滿水，球閥與下游3 個隔離閥之間的管線形成了一密閉空間。理論上，在電熱絲的不斷加熱下，密閉空間的溫度、壓力將上升，這類似于閥門的鍋爐效應。但實際情況，由于電熱絲只是在水上部加熱，不會發生水的對流傳熱，只通過熱傳導傳熱。密閉空間內，球閥下游有保溫的管線長度為2750m，無保溫的管線總長度為13088m，兩者的體積相差約4 倍，即散熱比加熱面積大4 倍。因此，良好的散熱使得發生鍋爐效應的可能性很小。經過分析，在存在持續熱源的情況下，若球閥下游未充滿水，閥座出口密封件的溫度超過設計溫度而破損的可能性很高。

4.2、球閥下游充水問題

　　( 1) 傳硼操作的影響

　　制硼罐傳硼方式有動力傳硼和重力傳硼2 種。對于重力傳硼，其是依靠重力盡可能將制硼罐中的溶液傳送到貯存罐，以避免將殘余配料排向核島的排氣和疏水系統(RPE)。在這種情況下，必須降低相應貯存罐中氮氣履蓋層的壓力，但壓力不能低于0.02MPa。從設備位置上看，球閥標高為13.55m，比接收罐的最高液位13.12m 高0.43m，但接收罐內0.02MPa 的氮氣壓力可以使001TY 管線的液位超過球閥。對于動力傳硼，其是用硼酸泵將制硼罐中的溶液傳送到貯存罐，以避免排去貯存罐的氮氣履蓋層。為防止氣蝕，硼酸泵保護跳泵時，制硼罐約剩20%的溶液。所以，不管采用那種方式傳硼，根據現有的規程要求和系統設計，球閥下游都應該是滿水的。

　　(2) 設備解體檢修的影響

　　根據電廠的工作流程，為了防止硼結晶，相關設備投運前，首先是電熱絲和保溫的回裝，電熱絲送電，最后才是設備充水排氣。因此球閥檢修后，投運電熱絲后到充水排氣操作這個期間，球閥下游管線是未充滿水的狀態。另外，球閥檢修后的解除隔離操作指令，沒有對管線充水排氣的要求。

　　(3) 接收罐隔離閥泄漏

　　由于接收罐內的氮氣壓力大于0.02MPa，因此即便儲存罐隔離閥泄漏，球閥下游都應該是滿水的。考慮各種情況，球閥解體檢查重新啟用時，下游管線將有一段時間未充滿水。

4.3、閥座損壞時間

　　根據分析，閥門超設計溫度發生在電熱絲送電后至球閥第1 次使用前。一般系統檢修完成從解除隔離到完成傳硼約14h。除去制硼時間、化驗時間、在線時間和傳硼時間，檢修完畢到開始第一次傳硼的時間間隔約10h。因此可以推測，在閥門下游無水的情況下，PTFE 閥座可能在10h 以內發生破碎失效。當出口閥座破碎后，閥門出現了內漏，管線處于滿水狀態，因此管線的溫度將低于閥門設計溫度。球閥內漏是不容易發現的，因為其下游還有常關的隔離閥，且制硼罐的液位顯示精度不高，即便閥門發生內漏使下游管線充滿水，制硼罐的液位下降也很少，儀表顯示不出變化。隨著后續的運行操作，閥門將發生外漏。

4.4、分析

　　從閥門出口閥座破碎的事件和原因分析(圖6) ，造成出口PTEF閥座破損的直接原因是閥門下游管線的溫度超過閥門設計溫度，根本原因是溫度開關的設計位置存在缺陷，導致電熱絲不能及時退出。同時，程序要求不明確，管線溫度監測的缺失是重要的促成因素。

圖6 球閥出口PTFE閥座破碎的事件和原因因素圖

5、改進

　　現場通過改造流程將溫度開關組件裝在球閥與止回閥之間的管道內，靠近球閥出口，這樣，即便發生管線未充滿水的情況，也能正確控制001TY 管線加熱器的啟停，防止溫度超過設計溫度，避免出現閥座密封件發生破碎的情況。改進完后的溫度測量結果表明達到了預期結果(表2)，管線溫度監測的功能也恢復了正常。

表2 糾正措施后的球閥溫度測量情況℃

6、結語

　　使用根本原因分析方法現已經成為電站故障分析的一個基本要求。一個設備的故障，原因是多方面的。很多時候，設備問題的原因很容易簡單地歸結為設備選型不當，期望通過設備換型來解決設備問題。例如本事件，電站也是可以通過選擇一種工作溫度更高的球閥或者其他類型的閥門來解決該問題，但這種解決辦法很可能帶來其他的問題。通過根本原因分析后，僅僅通過簡單的調整溫度開關組件的位置，就解決了這個電廠長期存在的問題，代價很小且沒有潛在的風險。因此，運用一些根本原因分析的方法，找到事件的根本原因，才能有針對性的制定糾正措施，避免事件的重復發生。