核电厂通风系统防火阀应用现状及维修优化分析
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摘 要：防火阀是通风空调系统中重要的部件，核电站防火阀设计方法的正确与否直接关系到防火阀功能的正常发挥，从而影响核电的消防安全。为了提高核电厂防火阀的可靠性，对多个电厂防火阀的应用现状和故障历史进行了梳理，并采用故障模式及影响分析方法对不同防火阀故障机理和维修策略优化进行了研究。
关键词：核电厂;通风系统;防火阀;维修
1 引言
防火阀安装于核电厂穿越防火分区的通风管道中间或末端。正常运行工况下处于开启状态，火灾时当管道内气体温度达到70℃或280℃时自动关闭，用于对2个防火分区之间的管道隔离。其作用是切断火灾传播途径，防止烟气从一个防火分区（或重要房间）蔓延到其他防火分区（或重要房间），防止火灾烧毁排烟风机或其他设备。
2 防火阀的分类
AP系列电站是在传统成熟的压水堆核电技术基础上开发的先进的非能动的压水堆（Advanced Passive PWR）。按照HAD102/11《核电厂防火》的要求，为保证核电厂具有足够的安全性，核电厂的防火设计也有严格的设计要求。通风系统防火阀在通风防火与防排烟设计中起着关键性的作用。
2.1 按功能分类
按功能划分，其类型主要分为防火阀、防烟阀、防火防烟阀。核岛厂房通风系统的风管穿越防火屏障时应设置防火阀，制造和试验要满足UL555的要求，阀门性能应满足AMCA500和UL555，在空气温度达到70℃时，防火阀自熔关闭，限制火灾以及烟雾的蔓延。当通风系统穿越有烟气隔离要求关键区域时应安装防烟阀，其制造和试验应满足UL555S的要求，性能应符合AMCA500和UL555S的规定。平时开启，火灾时通过就地手动或远距离电动操作关闭阀门，火灾后可远距离自动复位。风管穿越安全相关区域、烟雾敏感区域时应设置防火防烟阀，其制造和试验同样应满足UL555和UL555S的要求，性能满足AMCA500和UL555S的要求。防火防烟阀除了可自熔关闭，还可根据火灾探测及报警系统发出的信号联动关闭。已设置防火防烟阀的地方不再设置防火阀。
2.2 按结构分类
目前在建的AP系列电站中，按防火阀的结构划分，可以分为单体阀和多体阀。当防火阀外形大边<38英寸（965mm）时，均为单体阀。当高度或宽度有一边>38英寸（965mm）时，在高度或宽度方向一分为二，分为两个单体阀。当高度和宽度都>38英寸（965mm）时，在高度和宽度方向均一分为二，成“田”字形，共分为四个单体阀。不连接风管的防火阀只在防火阀内安装易熔片加弹簧，不设复位驱动器。连接风管的防火阀，在防火阀套筒上就地安装手动复位驱动器。防烟阀和防火防烟阀套筒上安装电动执行机构。
在结构上，防火阀及防火防烟阀增加了锁紧机构，以加强防火阀关闭的可靠性。阀门内设置易熔片，易熔片连接一个杆状的“锁门”，阀门外设置扇形锁孔板，当易熔片熔断，易熔片所连接的锁门在套筒外的长度伸长，与扇形锁孔板上孔穿插在一起，达到锁紧的效果。
3 防火阀应用现状及故障
3.1 防火阀应用现状介绍
通过对多个核电厂核岛通风系统防火阀的应用现状调查发现，防火阀存在故障率高、涉及系統广、重发概率大等诸多缺陷，且处理缺陷时隔离难度大，窗口难协调，给机组的安全运行带来了严重的隐患。如，在机组正常运行期间，防火阀误关导致相关通风系统不可用;排烟阀误开导致相应房间风量失调;在安全防火区域（SFZ）和电气厂房排烟系统（DVF）防火部件试验时，防火/排烟阀频繁出现动作异常致使试验不合格，导致机组产生非预期事件等。
通过梳理某核电厂2015年度和2016年度SFZ试验数据发现，SFZ试验一次满意率较低，且2016年度较2015年情况恶化，满意度只有69%，另一核电厂防火阀试验自2011年到2016年，通风系统防火阀定期试验一次性合格率大约在70%，其中1号、2号机组DVL防火阀一次性合格率只有13%和25%，远低于平均值。
3.2 防火阀故障历史简介
2017年某核电厂展开核岛通风系统防火/排烟阀专项检查，共发现防火阀限位开关安装异常、轴销过短、阀板内倾、防火阀熔断片无固定螺母等70余项缺陷。通过进一步梳理该集团内群厂防火阀故障案例，发现其主要故障原因涉及安装、设计、产品质量、维修策略等多方面。
4 防火阀FMEA
本文在深入了解核电厂各种防火阀基本结构后，将防火阀分为7个功能部分，并对每个部分涉及的零部件展开了FMEA。全文共分析了45种故障模式及其影响，概述如下：（1）框体及法兰部分存在框体变形开裂、法兰变形、螺栓松动、锈蚀、积灰严重、密封件老化破损等故障模式。故障影响主要表现在阀门动作卡涩或密封不严，导致在火灾时无法隔离防火分区或阻断火灾蔓延。（2）叶片及叶片轴部分存在叶片断裂、叶片轴弯曲或开裂、叶片夹板断裂、积灰严重、铜带组件松脱或断裂等故障模式。故障影响主要表现在阀门卡涩、密封不严、排烟阀开启时难以固定、阀板脱落损坏下游设备。（3）轴承组件部分存在轴承或轴套磨损、润滑油脂不足或老化、密封端盖松动等故障模式。故障影响主要表现在轴承磨损严重导致阀门动作卡涩。（4）内外温感器、熔断管及熔断片部分存在温感器组件松动、熔断管锈蚀或断裂、熔断片锈蚀或脱焊、弹簧锈蚀或变形等故障模式。故障影响主要表现在火灾时熔断元件熔断后因弹簧失效无法关闭阀门，或熔断元件异常断开导致阀门误关，影响系统通风。（5）电动机构部分存在电气元件故障（如电源模块损坏、继电器、限位开关、电机损坏）、机械元件故障（如连杆、拨片、轴销、齿轮、爪牙轮、弹簧等磨损、锈蚀）、手动拉环与外温感器松脱、接线端子松动、积灰严重、紧固件松动等故障模式。故障影响主要表现在阀门无法动作、卡涩、反馈异常，导致火灾时无法隔离防火区域或操作员无法正确判断阀门所处位置。（6）电磁机构部分存在电磁铁锈蚀、挂钩组件锈蚀或磨损、弹簧锈蚀或变形、插销组件磨损或锈蚀、限位开关损坏、手动拨片损坏、接线端子松动、积灰严重、紧固件松动等故障模式。故障影响主要表现在阀门卡涩、反馈异常，导致火灾时无法隔离防火区域或操作员无法正确判断阀门所处位置。（7）手动机构部分存在手柄松脱、机构扭簧锈蚀或变形、摆板磨损或锈蚀、高温开启钢丝绳锈蚀或松脱等故障模式。故障影响主要表现在阀门无法手动操作、高温时开启阀门操作困难或无法固定。
5 防火阀维修策略优化建议
本文在分析防火阀故障模式及影响时，参考“以可靠性为中心的维修”方法，按照状态监测（C）、定期翻新（R）、定期更换（D）、定期试验（T）的顺序，根据设备重要程度、使用频度和运行工况，结合防火阀运行维修手册、群厂经验反馈及故障历史与技术特性分析，制定了相应的维修策略。
从各核电厂防火阀实际使用情况出发，通过FMEA对防火阀的潜在失效模式与影响进行了深入分析，对原有防火阀的预防性维修策略进行了如下优化，对于提高核电厂防火阀的设备可靠性具有一定的指导意义。（1）在年度外观与动作检查中增加：①拆下温感器检查内部弹簧锈蚀断裂情况和熔断元件锈蚀断裂情况;②打开轴承端盖检查润滑情况。（2）新增定期更换熔断元件，周期可根据现场使用情况调整。（3）新增定期更换电动机构，周期可根据现场使用情况调整。
参考文献：
[1] 张亚婷，李晶.核电厂核岛火灾烟气控制技术研究[J].应用能源技术，2018（11）.
[2] 高卫东，谢鹏，韩揽月.核电厂通风系统调试[J].电工技术，2016（12）.
[3] 李艳丽，关炜，陈琳.AP1000核岛厂房防火分区设计[J].核科学与工程，2015（1）.
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