□白 川 付 勇 侯志华 孙 杰 陈 淼 周仕雄

一、概述

核电厂汽动辅助给水泵(以下简称“汽辅泵”)为专设安全设施，作为主给水泵的备用泵，在丧失主给水时，反应堆冷却剂系统的热量通过由辅助给水系统供水的蒸汽发生器传给二回路系统产生蒸汽，二回路系统蒸汽通过汽轮机旁路系统排入凝汽器或排向大气，保证堆芯热量的持续排出。

某M310堆型核电厂汽辅泵型号为TWL-45S，设计全流量额定转速7,750rpm，小流量额定转速8,387rpm。是两级带导叶的离心泵结构，由小汽轮机来驱动，动力源为来自主蒸汽系统的高压蒸汽。小汽轮机叶轮具有单排叶片，泵叶轮、导叶及小汽轮机叶轮均装在同一根轴上，轴由两个水润滑的径向轴承来支撑。汽辅泵接启动信号后(主控室手动操作或自动信号)，蒸汽管线上的两个并联的供汽隔离阀中的一个或全部打开，蒸汽依次通过供汽隔离阀、蒸汽进口过滤器、主气门、调节阀进入小汽机喷嘴室，推动小汽机高速旋转，从而带动水泵转动。为保护设备不发生超速事故，设置有电气脱扣和机械脱扣两道保护装置。

二、问题描述

2020年9月，某核电站2号机组处于热停堆状态，在进行超速保护通道及脱扣装置试验时，按照试验规程，泵启动前将电气脱扣转速设置为5,000rpm，并在控制柜上手动电磁脱扣验证信号正常触发。开启供汽隔离阀后，汽辅泵转速在约一分半后才开始上涨，上升至设定脱扣转速5,000rpm后电磁脱扣正常动作泵停运。为验证是否偶发故障，再次开启供汽隔离阀后，该汽辅泵转速上涨至约两千转后不上涨，用铜棒轻轻敲击脱扣电磁阀阀体后转速迅速上升至预先设定的电气脱扣转速。为找出该汽辅泵转速上涨缓慢的原因，电厂人员采取了一系列排查措施，最终通过更换脱扣电磁阀解决了问题。

三、原因分析

(一)汽辅泵知识简介。

1.汽辅泵运行原理。在正常运行情况下，主气门活塞阀侧受到进入小汽轮机喷嘴室的蒸汽全压力的作用，因主气门活塞上的连通孔使得活塞下部受到相同的蒸汽压力的作用。活塞直径设计大于阀座直径，其面积差使主汽门一直保持关闭。

起泵前，脱扣电磁阀和锥形阀处于关闭状态。当供汽隔离阀接到指令开启，蒸汽通过主气门活塞上的连通孔迅速进入到活塞后部，主气门活塞后部压力快速建立；不平衡力使主气门活塞打开，蒸汽进入调节阀，经过喷嘴推动小汽机叶片转动建立转速。

压差使主气门活塞保持完全打开状态；蒸汽通过主气门进入调节阀，然后经过喷嘴，蒸汽推动汽轮机持续旋转，转速与泵载荷匹配。

当脱扣电磁阀或锥形阀打开时；蒸汽通过活塞环和活塞中间孔板泄漏至乏汽管线；活塞后部压力下降至乏汽压力，不平衡力使主气门活塞关闭截断进入调节阀的蒸汽，汽轮机停止运转。

2.汽辅泵脱扣原理。电气脱扣和机械脱扣两种脱扣方式都是通过释放主汽门活塞下部的蒸汽压力来操纵脱扣，利用活塞上部的蒸汽压力将主汽门关闭，由此切断进入小汽轮机的蒸汽，将泵停下。

电气脱扣独立于机械脱扣来动作，它开启一电磁阀，该阀连接在来自主汽门活塞下部到锥形阀的蒸汽管与锥形阀出口到蒸汽排汽管之间。当电气脱扣触发时，电磁阀打开，释放主汽门活塞下部的压力，活塞上、下部的压差将自动关闭主汽门，将泵停下。

3.小汽轮机控制装置原理。小汽轮机控制装置由主汽门、调节阀及差压调节器三部分组成，其控制原理简图如图1所示。

图1 汽辅泵脱扣保护流程图

由图2可知，差压调节器上端的压力引自泵出口的压力，其下端的压力来自泵出口管线上的文丘里管喉部的压力。在连杆装置平衡的情况下，作用在调节阀上的压力与弹簧力之和应与作用在活塞上的压力差相等，即：

图2 小汽轮机控制装置的原理简图

FB+FS=FH

(1)

式中：FB—作用在调节阀上的压力；FS—作用在连杆上的弹簧力；FH—作用在活塞上的总压力之差。

FB=PS*A3

(2)

式中：PS—进入调节阀的蒸汽压力；A3—调节阀连杆的横截面积。

FS=K*χ+C

(3)

式中：K—弹簧弹性系数；χ—弹簧伸缩量；C—弹簧预紧力。

(4)

式中：Pt—文丘里管喉部压力；ρ—工作条件下水的密度；υt—文丘里管喉部流体的流速；υd—出口管处液体的流速；A1—差压调节器活塞面积；A2—差压调节器连杆横截面积。

综上可得：

(5)

由上述可知，通过设计蒸汽压力、弹簧力、差压调节器几何参数的关系，可以调节泵的转速。

(二)影响因素分析。综合上述分析及设备结构特点，汽辅泵转速主要与蒸汽压力、调节阀、差压调节器、控制弹簧等有关。可能导致汽辅泵转速上涨缓慢的影响因素有以下几种：一是入口供汽隔离阀故障：该阀门未完全开启或开启缓慢，进入主气门地蒸汽压力较低。二是主气门活塞卡涩：导致开度不足，蒸汽量不足以快速推动汽轮机旋转。三是脱扣电磁阀卡涩：电磁阀未完全关闭，主气门活塞后部压力难以快速建立，从而影响主气门活塞地开启。四是锥形阀内漏：主气门活塞后部压力难以快速建立，从而影响主气门活塞地开启。五是调节阀卡涩。六是差压调节器故障。七是控制弹簧老化或损坏。

(三)影响因素排查。通过前期初步检查：泵再次启动后转速上涨至约两千转后不再上涨，用铜棒轻轻敲击脱扣电磁阀阀体后泵转速迅速上升至预设转速。说明在外力干预下可以使电磁阀完全回座，初步判断脱扣电磁阀卡涩的导致泵转速上涨缓慢地可能性最大，通过观察差压调节器及调节阀连杆动作情况，可基本排除调节阀卡涩、差压调节器及控制弹簧故障的可能性。其它可能因素的排查情况如下：

1.入口供汽隔离阀故障。该阀门为气动闸阀，为两路并联布置，试验时阀门分别开启后均出现同样的故障现象，用铜棒轻轻敲击脱扣电磁阀阀体后转速迅速上升，说明入口隔离阀动作正常，排除供汽隔离阀故障的可能。

2.主气门活塞卡涩。泵停运后手动操作主气门手轮，动作灵活、无卡涩，排除主气门活塞卡涩的可能。

3.锥形阀内漏。手动操纵脱扣再复位后，泵转速上升正常，可排除锥形阀内漏的可能。

从上述排查情况看，导致此次汽辅泵转速上涨缓慢可能性最高的因素为脱扣电磁阀卡涩。故优先对脱扣电磁阀进行了解体检查，发现阀体内部控制腔、杆盘组件及动铁芯部位有积聚的粉末颗粒和锈蚀产物，未发现异常磨损或组件锈蚀、变形等现象。从解体情况也佐证了判断的正确性。

(四)原因分析。

1.脱扣电磁阀原理。脱扣电磁阀由先导阀和主阀组成，如图3所示。当阀门处于关闭位置时，进口压力通过主阀上的一个控制小孔传送到主盘上方的控制腔，阀座下游为较低的出口压力，作用在阀座两侧较大的压力差提供辅助的关闭力，和弹簧提供阀座关闭力一起保持阀门关闭状态。

图3 脱扣电磁阀结构简图

当螺线管组件得电激励产生磁力，首先将柱塞向上提起靠近可动铁芯，将先导阀开启，降低进出口压差，大大地减少主盘上的关闭力。当关闭力小于提升力时，主盘被移到开启位置。在开启位置时，可动铁芯靠近位于固定的铁芯，磁力增加，由进口压力加上磁力的总开启力远大于由返回弹簧力和零件的重量组成的关闭力，确保主盘将被稳稳地保持在开启位置。

当螺线管组件断电去激时磁力消失，先导阀和主阀在返回弹簧力的作用下落座，在主阀完全落座后，作用在阀座两侧较大的压力差保证了密封性。

2.电磁阀卡涩过程推演。脱扣电磁阀内部结构精密，间隙微小，经测量主盘与阀腔单边配合间隙0.07mm，主盘与连接管单边配合间隙0.10mm，弹簧座与连接管单边配合间隙0.13mm，一旦有细小颗粒物进入，极可能会造成电磁阀卡涩。

根据汽辅泵试验步骤，泵启动前通过手动动作脱扣电磁阀确认信号通道正常。根据脱扣电磁阀原理，手动电磁脱扣时电磁线圈得电激励，电磁阀开启；复位后，线圈失电电磁阀恢复关闭状态。当锈蚀产物在先导阀阀腔及连接管与弹簧座之间积聚时，导致电磁阀内部阀芯组件卡涩；电磁阀失电后杆盘组件卡涩未完全回座，主阀入口和出口压差无法建立，没有产生附加的关闭力，在进口压力约6.8Mpa的蒸汽压力工况下，仅靠弹簧的回座力无法保证主阀完全关闭。入口供汽隔离阀打开后，蒸汽进入主气门，主气门活塞后部压力无法快速建立，压差不足以推动主气门活塞及时打开，此时活塞状态与泵脱扣状态一致，泵无法快速启动或无转速，与故障现象一致。

3.脱扣电磁阀卡涩原因分析。通过上述分析，导致汽辅泵转速上涨缓慢的直接原因为脱扣电磁阀卡涩。针对可能导致电磁阀卡涩的原因，从备件、系统、预维三方面进行调查分析。

(1)备件。电磁阀解体检查，未发现零部件磨损等异常情况。对内部积聚的颗粒及锈蚀产物进行分析，具有铁磁性。而电磁阀、前后管线及泵体均为不锈钢材质，不产生可被磁性吸附的物质，判断阀体内发现的粉末颗粒和锈蚀产物为外来物质。

经查，该电磁阀为上个燃料循环周期新换的原厂备件，通过对新备件解体对比，该阀门尺寸符合要求，备件无质量问题。

(2)系统。汽辅泵蒸汽管道材质为碳钢。正常运行期间管道充满高温蒸汽，为潮湿环境，该状态产生的锈蚀产物较少，日常期间对泵运行无影响。机组大修期间管道根据检修需求泄压排空，处于开口检修状态；大修长期处于开口环境中，不可避免的在管道内产生锈蚀产物，此为碳钢材质管道的正常现象。系统长期运行后，产生的锈蚀产物在蒸汽管道内沉积。管道干燥后产生的浮锈颗粒极为细小，呈粉末状，目前的入口过滤器无法有效过滤这些细小颗粒。

(3)预维。经查，事前电厂未针对脱扣电磁阀设置定期检查预防性维修项目，若设备有异常，无法及时发现。

因此，导致此次汽辅泵脱扣电磁阀卡涩的原因是：电厂缺少相应的预维项目，以及电磁阀前无有效的过滤装置。

四、故障处理

由于该汽辅泵试验处于核电站机组大修关键路径，出于工期考虑，采取直接更换新电磁阀的处理策略。更换前对新电磁阀备件进行了密封性试验及带电动作试验，备件更换后重新进行试验，试验一次合格。

五、结语

可能导致汽辅泵转速上涨缓慢的因素原因有很多，在以往的分析及处理中，一般多从汽辅泵本身去思考，对脱扣电磁阀对汽辅泵的影响以及可能导致电磁阀故障的因素关注较少。本文通过汽辅泵转速的调节原理及各种影响因素进行分析，确定了导致此次汽辅泵转速上涨缓慢的直接原因是脱扣电磁阀卡涩。汽辅泵设备集成度高，结构精密，任何一个环节的疏忽均有可能导致汽辅泵异常，从业者除关注泵、小汽轮机等本体设备外，应多留意辅助控制设备及系统环境对泵的影响。