核电站定子冷却水系统定子水箱膨胀节外漏原因分析及优化论文_蔡熹,李祥奎,付晴

摘要：某核电站在运行期间定子冷却水系统（下文简称GST）定子水箱金属膨胀节发生外漏，检查发现膨胀节波纹管第一道波纹处破损外漏，如水箱液位低25%存在跳机风险。本文提出优化建议，彻底消除GST定子水箱该处隐患，保证发电机定冷水系统安全。

关键字：核电站；定子冷却水系统；膨胀节；外漏

1.引言

定子水箱位于发电机定子顶部，确保系统始终是满水状态。由于发电机氢压高于水压，来自发电机定子线圈泄漏出的微量氢气将汇集在水箱上部，通过气体泄漏监测装置将超压氢气排放至大气中，避免由于氢气泄漏造成的爆炸事故的发生。GST系统正常运行期间，通过液位计监测水箱液位，如果液位高（高于水箱容积的80％）或低（低于水箱容积的40％或低于水箱容积的25％）液位变送器将发送信号到DCS；当液位处于过低状态时（＜25%），液位开关将发送报警信号，发电机定子冷却水系统将自动跳闸停机。水箱连接着两个金属膨胀节（下文称GST001/002JD），一旦金属膨胀节发生外漏，会迅速导致水箱液位下降，从而威胁机组号运行。

2.原因分析

2.1定子冷却水工作流程

补水系统→旁路过滤器→离子交换器→旁路过滤器→水泵→冷却器→温度调节阀→主水滤过滤器→流量信号装置→高位水箱→发电机定子线圈→调节孔板—水泵。系统运行时，定子冷却水在系统内部不断循环。

图1 GST系统流程图

2.2膨胀节形式

目前GST系统定子水箱入口所使用的金属膨胀节属于轴向型内压式，波纹管（补偿元件）为单层，主要由法兰环和波纹管组成，如图2所示。

轴向补偿器的主要作用补偿轴向位移，吸收、 减少振动对整个管道系统的影响，利用伸缩量, 方便设备、管道等安装与拆卸，也可以少量补偿横向位移或轴向与横向的合成位移，具有少量补偿角位移的能力。

图2 GST系统金属膨胀节

2.3GST膨胀节功能

定子水箱（如图3 所示）安装在发电机定子上端，有效容积约为0.5m³，其主要功能是保证定子和整个管段及设备中始终充满水，水箱也可为泵提供足够的吸入压头。

图3 定子水箱图

节流孔板GST002DI主要用于供水端排气，节流孔板GST003DI主要用于回水排气。其中GST002DI与GST001JD相连，GST003DI与GST002JD相连。定子水箱接口法兰和管道上的接口上部法兰设备出厂前已厂内预制好，到现场后安装存在误差，因此膨胀接头主要作用相当于起到纠错的作用，避免现场安装过程中存在法兰焊接利用伸缩量,方便设备、管道等安装与拆卸。同时，供水管线在发电机定子顶部跨度为4130mm，此供水管路没有固定支架，GST001JD焊接在GST系统供水母管上，也起到一定的缓冲主管道振动，避免母管的振动对GST001JD带来应力集中的问题。

2.4膨胀节外漏原因分析

根据GST系统功能及膨胀节的结构形式，主要从系统、设计、安装、设备4个方面的问题进行分析金属膨胀节泄露原因。

2.4.1系统

根据GST系统流程，GST001JD管径为DN25，下游为一个节流孔板，节流孔板管径为DN20mm，截流后流量为3.8m3/h，管线流量恒定，管径由DN25突变为DN20，节流孔板与膨胀节靠近处的流体会处于脱空、压力交变，GST001JD受水力冲击受力不均。

而GST002JD下游的节流孔板的设计流量为0.8 m3/h，系统压力接近常压，节流孔板与膨胀节的流体脱空和压力交表对GST002JD影响较小。

2.4.2安装

（1）现场检查发现泄露位置处的法兰张口最大2.7mm。

根据GB标准：法兰连接时应保持平行，其偏差不得大于法兰外径的1.5‰，且不得大于2mm。该处法兰直径为105mm，故张口应不超过0.17mm，此处存在安装严重超规范要求。

（2）对GST001JD振动情况使用手持式测振仪进行测量，发现轴向振动为3.3mm/s，径向振动最大为29.4mm/s（垂直），振动速度有效值V max（RMS）大于标准值20mm/s（振动值最小16.1 mm/s，振动无周期型变化）。即GST001JD膨胀节振动幅度上下振动为主，振动变化无规律，而波纹管结构相对薄弱，振动会加剧对裂纹的扩展。

（3）根据管道系统的设计中要求（如图4所示），对于轴向型内压式金属膨胀节，固定支架和导向支架的布置形式应按图3布置，第一导向架G1 距膨胀节的间距不得大于4D。第二导向架与第一导向架之间的间距不得大于14D。其余导向支架之间的最大间距按管道跨距的规定。固定支架设计时需要考虑由波纹管静压产生的推力。

图4　单式轴向型膨胀节布置形式

目前GST001JD管径为DN25，下部与主管道相连间距约150mm，根据要求此处要安装一个导向支架或者固定支架。

2.4.3设计

由于厂家水箱接口法兰厂内预制好，对于现场接口法兰的误差只考虑使用膨胀节纠错，避免现场安装过程中存在法兰焊接利用伸缩量,方便设备、管道等安装与拆卸的作用。未考虑管道法兰接口预制错口对膨胀节扭曲变形的影响。

2.4.4设备

目前福清3/4号GST系统定子水箱入口所使用的金属膨胀节属于轴向型内压式，波纹管（补偿元件）为单层，主要由法兰环和波纹管组成，单层波纹管强度不足，胀节选型不合理。

综上所述

造成GST001JD膨胀节破损的根本原因：

靠近节流孔板位置由于管道变径，交变压力使膨胀节受力不均，膨胀节强度选型不当；

法兰存在错位，由于应力作用，膨胀节上部拉伸，下部挤压扭曲（如图5所示），造成膨胀节变形扭曲，膨胀节疲劳损伤。

造成GST001JD膨胀节破损的促成原因：

（1）管线安装错位大，使用手持式测振仪测得管线振动最大29.4mm/s标准值(20mm/s),长时间超标准值振动，造成疲劳损伤；

（2）膨胀节未安装导向支架，膨胀节吸收轴向振动时，管道的扭动处于无规则运动状态；

（3）GST系统使用的单层轴向膨胀节选型不当，强度不足；

图5 GST001JD外漏情况图

3.优化措施

综上所述，目前GST001JD漏水的根本原因是靠近节流孔板位置由于管道变径，交变压力使膨胀节受力不均，膨胀节强度选型不当。法兰存在错位，由于应力作用，膨胀节上部拉伸，下部挤压扭曲（如图5所示），造成膨胀节变形扭曲，膨胀节疲劳损伤。

根据同行调研及对GST系统膨胀节分析，对GST膨胀节本体的优化措施对比如表1所示。

表1 GST膨胀节的优化措施对比

4.结论

根据上述分析，对该电厂GST膨胀节使用新型高强度的膨胀节进行替换，并在膨胀节前加装导向固定支架，同时在其前后法兰进行纠正调整，使法兰法兰保持平行，其偏差不应大于法兰外径的1.5/1000，且不大于2mm。纠正后膨胀节振动值降低，再无出现外漏情况。

参考文献

[1]GB/T 14525-2010《波纹金属软管通用技术条件》，2011.01.10；

[2] JB/T 6171—2013《多层金属波纹管膨胀节》，2013.04.25。

论文作者:蔡熹,李祥奎,付晴

论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期

论文发表时间:2020/4/13

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