Análisis de fallas y diagnóstico de válvulas globulares neumáticas en centrales nucleares

Las válvulas de globo neumático de pequeño calibre en las centrales nucleares están sujetas a estrictos requisitos técnicos y de seguridad, lo que las convierte en un enfoque crítico en la localización de equipos de energía nuclear. Durante la operación, estas válvulas son propensas a fallas, incluidas grietas en el disco de la válvula y fugas en el diafragma o orificios de ventilación, que pueden causar un mal funcionamiento o fuga de la válvula y comprometer la seguridad del sistema. Este documento examina las fallas operativas comunes de una válvula de globo neumático de pequeño calibre típica y propone procedimientos de protección de equipos estandarizados junto con métodos de diagnóstico de fallas. Los hallazgos ofrecen una guía valiosa para la instalación, puesta en marcha, operación y mantenimiento de unidades de energía nuclear CPR1000 y sirven como referencia práctica para los fabricantes de válvulas.

Las válvulas son dispositivos que controlan el flujo de medios, como agua, vapor, aceite y gas, dentro de tuberías, realizando funciones esenciales que incluyen aislamiento, regulación de flujo y presión, control de dirección y protección de tuberías y equipos. Debido a su rendimiento confiable y capacidades de aislamiento efectivas en sistemas con estrictos requisitos de seguridad nuclear, las válvulas de globo neumático se utilizan ampliamente en plantas de energía nuclear CPR1000 en sistemas como RCP, RCV, REN, RIS, RPE, RAZ, SIR, APG, ETY y VVP 133t, con cada unidad contiene más de 140 válvulas. Las fallas de estas válvulas pueden comprometer seriamente el rendimiento de los sistemas asociados y amenazar el funcionamiento seguro y estable de la unidad de energía nuclear. Según estadísticas parciales, en los sistemas de energía nuclear - y la industria de procesos en general - el costo del tiempo de inactividad no planificado debido a fallas de válvulas es aproximadamente diez veces mayor que el de las interrupciones planificadas, con el mantenimiento de válvulas representa alrededor del 15% -30% del total de los gastos de mantenimiento del sistema de procesos. Por lo tanto, es crucial analizar sistemáticamente las fallas de las válvulas de globo neumático durante la instalación, puesta en marcha y operación, identificar sus causas profundas y proponer medidas de mejora desde una perspectiva de confiabilidad del equipo para mejorar el rendimiento general de la válvula.

Los tipos más comunes de Válvulas de globo neumáticas Son válvulas que no se cierran con volantes, válvulas que no se abren con volantes, válvulas que no se cierran sin volantes y válvulas que no se abren sin volantes. En las centrales nucleares domésticas, los dos tipos más utilizados son válvulas que no se cierran y que no se abren, ambos equipados con volantes.

Figura 1 La estructura de una válvula de globo neumática típica equipada con con un volante

Las válvulas de globo neumáticas son alimentadas por aire comprimido y operadas de forma remota, con comandos de control emitidos manual o automáticamente desde la sala de control principal, activando la válvula solenoide para suministrar o expulsar aire a la cámara de diafragma. El aire comprimido actúa sobre el diafragma o el pistón, superando la fuerza y la fricción del resorte, e impulsa el vástago de la válvula y el conjunto del disco para moverse hacia arriba o hacia abajo. Para válvulas que no se abren, la presión de aire cierra la válvula, mientras que para válvulas que no se cierran, la presión de aire la abre, lo que permite que la válvula regule el flujo o logre un cierre completo. En aplicaciones de plantas de energía nuclear, las válvulas de globo neumáticas generalmente están instaladas con un mecanismo de funcionamiento manual para mantener la operatividad si falla el sistema neumático. En funcionamiento normal, el mecanismo manual se bloquea en una posición segura que no interfiere con con la función de la válvula, comúnmente llamada posición neutra. La apertura y el cierre de la válvula suelen controlarse de forma remota desde la sala de control principal o las estaciones de control locales. En caso de emergencia, como pérdida del suministro de aire o fallo del control remoto, el mecanismo manual se puede utilizar desde la posición neutra para abrir o cerrar la válvula según sea necesario, o para bloquearla en una posición abierta o cerrada específica según los requisitos del sistema. Durante el funcionamiento, problemas como fugas del diafragma del actuador neumático, ajuste incorrecto del mecanismo manual, fallo del embalaje, funcionamiento inadecuado en el lugar o anomalías del suministro de aire pueden amenazar significativamente el funcionamiento seguro y estable de las centrales nucleares.

En las centrales nucleares domésticas, las válvulas de globo neumático son suministradas principalmente por un fabricante francés. En proyectos como Hongyanhe, Ningde, Yangjiang y Fangchenggang, las fallas reportadas incluyen fugas del diafragma del actuador neumático, fugas del orificio de ventilación, incapacidad para abrir o cerrar, funcionamiento retrasado de la válvula, señales anormales de estado remoto y fugas de empaque. Tales fallas pueden impedir que las válvulas cumplan con las funciones del sistema previstas, poniendo en grave peligro la seguridad de la unidad y no cumplir con con las normas de seguridad nuclear.

(1) Fuga de válvula interna

Sellado de daños en la superficie
Las causas principales son la presencia de partículas extrañas en la superficie de sellado, la erosión a largo plazo por el medio y los defectos materiales inherentes.

Fuerza de sellado insuficiente
Esto es causado principalmente por la fuerza debilitada del resorte del disco durante la operación, baja presión de suministro de aire o fuga de la cámara del actuador y rotura del resorte del disco.

Contacto de superficie de sellado incompleto
Esto puede ser el resultado de la desalineación del ensamblaje, el ajuste incorrecto del punto neutro o la materia extraña atrapada en la superficie de sellado.

(2) Fuga entre el cuerpo de la válvula y el capó

Análisis de la causa:
Junta dañada, par insuficiente en los pernos del capó o capa de soldadura de sellado comprometida.

Medidas correctivas:
Reemplace la junta, compruebe y ajuste el par de torsión del perno y vuelva a soldar la capa de sellado si es necesario.

(3) Fuga externa en el embalaje

Análisis de la causa:
Daños en el embalaje o torsión insuficiente aplicada al prensaestopas.

Medidas correctivas:
Vuelva a colocar el empaque y vuelva a apretar el prensaestopas al par de torsión indicado.

(4) Ajuste incorrecto del punto neutro

Durante el mantenimiento y la operación, la posición neutra de la válvula puede cambiar debido a reparaciones internas (por ejemplo, molienda del disco o asiento de la válvula), mantenimiento del actuador o reemplazo del diafragma, pruebas de sellado a alta presión, aflojamiento de los componentes del vástago o pernos de soporte del actuador, desgaste del disco de la válvula repetido - impacto del asiento, o operación manual inadecuada en el sitio.

Medida correctiva:
Reinicie y calibre el punto neutro de la válvula.

(5) Fallos de Circuito Neumático

El circuito neumático suministra la fuerza motriz externa para el funcionamiento de la válvula, y cualquier mal funcionamiento puede hacer que la válvula se vuelva inoperable o exhiba un comportamiento anormal de apertura y cierre. Las fallas típicas incluyen presión de suministro de aire incorrecta, filtros obstruidos, mal funcionamiento de la válvula solenoide y fugas de aire en las conexiones de la tubería. La presión del circuito se puede controlar en el manómetro del panel de control neumático y debe mantenerse en 4,0 ± 0,1 bar. La presión excesiva acelera el desgaste del diafragma, mientras que la presión insuficiente puede causar un funcionamiento incompleto o lento de la válvula. Estos problemas se pueden resolver ajustando la válvula reductora de presión, limpiando o reemplazando filtros, reemplazando válvulas solenoides que funcionan mal o reparando conexiones con fugas.

(6) Tiempo de espera de apertura y cierre de válvulas

Análisis de causa:
Insuficiente capacidad de suministro o escape de aire de la válvula solenoide, presión de aire demasiado baja, líneas de aire bloqueadas, empaque demasiado apretado o atascos entre el disco de la válvula y el vástago.

(7) Indicación anormal de señal de apertura / cierre remoto

Análisis de causa:
Fallo del circuito eléctrico o mal funcionamiento del interruptor de límite, incluido el posicionamiento incorrecto del interruptor, falla del microinterruptor, defectos de cableado o mal funcionamiento de la tarjeta DCS.

Medidas correctivas:
Ajuste o reemplace el interruptor de límite, compruebe el cableado y verifique la funcionalidad de la tarjeta de control de la instrumentación.

Tabla 1 Fallas comunes de las válvulas de globo neumático y contramedidas

En una planta de energía nuclear en China, aproximadamente 20 válvulas de globo neumáticas, incluidas RIS208 / 209VP, RPE002VY, RPE055VE, RCP150 / 250 / 350VD y REN124VP, sufrieron deformación del diafragma, lo que provocó fallas en el sellado y fugas de aire, con una tasa de fallas general de casi el 14%. El desmontaje y la inspección in situ revelaron que los diafragmas de las válvulas fallidas se deformaron gradualmente durante ciclos repetidos de apertura y cierre. La zona de deformación primaria se ubicó en la superficie curva entre los tres pernos adyacentes a la entrada de aire del instrumento, como se muestra en la Figura 2. Una inspección adicional reveló una desalineación de los orificios de los pernos de bloqueo del diafragma, el desgaste de las superficies de contacto y la deformación de los propios orificios de los pernos. Los síntomas de falla, el diseño estructural y el proveedor fueron esencialmente idénticos en todas las válvulas afectadas, lo que indica una falla de modo común. La deformación del diafragma resultó en una reducción significativa en el rendimiento de sellado, impidiendo que la presión de aire en la cámara del actuador alcanzara el punto de ajuste requerido. Como resultado, ocurrieron múltiples problemas operativos y a nivel del sistema, incluida la incapacidad de abrir o cerrar la válvula de forma remota y automática, los tiempos de apertura de la válvula que superan los límites permitidos y el sellado inadecuado de la tubería después del cierre de la válvula.

Figura 2 Diagrama esquemático de un diafragma deformado

Durante una revisión importante en una planta de energía nuclear doméstica, se detectó una fuga de aire en los orificios de ventilación de los actuadores neumáticos en varias válvulas de globo neumáticas, incluidas RPE002VY, RPE055VE y RIS209VP. Esta fuga impidió la acumulación adecuada de presión en la cámara del actuador, lo que hizo ineficaz el control remoto del suministro de aire y escape a través de señales de comando y, en última instancia, afectó la apertura y el cierre normales de la válvula.

El desmontaje y la inspección de las válvulas fallidas revelaron las siguientes causas fundamentales de fuga de aire de los orificios de ventilación del actuador neumático:

Par de apriete insuficiente de la tuerca de bloqueo de la tapa del diafragma durante el montaje

Desviaciones dimensionales en el anillo de compensación del diafragma, que conducen a una compresión insuficiente del diafragma

Rayado o daño a la junta tórica durante la instalación

Envejecimiento y deformación permanente del material de la junta tórica

Las medidas correctivas incluyeron la sustitución de las juntas tóricas, la verificación de las dimensiones del anillo de compensación y el diafragma, la garantía de que la cubierta del actuador estuviera apretada al par de torsión especificado, la sustitución de cualquier diafragma dañado y el remontaje del actuador neumático de acuerdo con los procedimientos estándar.

Durante el mantenimiento en una planta de energía nuclear doméstica, se inspeccionaron 11 válvulas neumáticas de globo, revelando grietas en las superficies de sellado de seis discos de válvulas. Las morfologías de grietas de los discos de válvulas representativos se muestran en la Figura 3. Específicamente, RIS206 / 124VP exhibió una grieta en forma de T, mientras que RIS208 / 209VP exhibió una grieta en forma de I.

El análisis de fallas identificó las siguientes causas primarias de rotura del disco de la válvula:

Composición química no conforme de la aleación de estelita
El contenido de carbono de la aleación de revestimiento duro Stelite en el disco de la válvula superó el límite especificado y no cumplió con los requisitos de RCC-M S8000. El elevado contenido de carbono aumentó la fragilidad del material y redujo su resistencia a la tracción, haciendo que el disco de la válvula sea más vulnerable al agrietamiento.

Proceso de soldadura de revestimiento duro inadecuado
El proveedor aplicó el revestimiento duro de Stelite al disco de la válvula mediante soldadura manual de oxiacetileno. Este proceso es susceptible a una carburación excesiva, lo que conduce a una mayor fragilidad de la capa de revestimiento duro y una reducción de la resistencia a la compresión.

Operación inadecuada en el sitio que conduce a una sobrecarga
La fuerza excesiva aplicada al volante por el personal en el sitio después del cierre de la válvula impuso una tensión de sobrecarga en el disco de la válvula. Como resultado, la carga aplicada excedió el límite de diseño específico por el proveedor del disco de la válvula (800 N / mm). Aunque la capacidad de carga máxima de la aleación dura Stelite 12 es de aproximadamente 1600 N / mm, los efectos combinados de la fragilidad del material y la degradación inducida por la soldadura hicieron que el disco de la válvula se agrietara bajo la sobrecarga aplicada.

Figura 3. Vista macroscópica de grietas en las superficies de sellado de discos de válvulas representativos

Basado en el análisis de fallas comunes en válvulas de globo neumático de un fabricante francés y la experiencia práctica de la instalación, puesta en marcha y mantenimiento en el sitio, se ha desarrollado un procedimiento estandarizado para la protección del equipo.

Entre las diversas fallas del actuador neumático, la inacción del actuador es una de las más comunes, con la fuga del diafragma es la causa principal. Las investigaciones in situ muestran que el apriete insuficiente o desigual de los pernos es un factor importante que contribuye a la fuga del diafragma, y la implementación de prácticas de mantenimiento estandarizadas puede prevenir eficazmente este problema.

Esta sección describe los métodos precisos de apriete de pernos y estandariza el procedimiento de mantenimiento, ofreciendo orientación técnica para la instalación, puesta en marcha y operación comercial. Los requisitos específicos son los siguientes:

Todos los pernos deben apretarse con una llave dinamométrica, siguiendo el "método de apriete cruzado" para determinar la secuencia adecuada.

Como se ilustra en la figura 4, la cubierta del diafragma del actuador neumático está sujeta con con 16 pernos, cada uno con un par de diseño específico de 30 N · m. El apriete debe realizarse en tres etapas:

Primera etapa: 10 N · m

Segunda etapa: 20 N · m

Tercera etapa: 30 N · m

El apriete debe seguir la secuencia cruzada especificada hasta que todos los pernos estén asegurados. Durante la etapa final, con la llave dinamométrica ajustada al par de torsión de diseño, cada perno debe apretarse solo una vez. Los pernos que ya han alcanzado el par de torsión específico no deben volver a apretarse.

Figura 4 Diagrama esquemático del apriete de pernos utilizando el método de apriete cruzado

El análisis de los fallos del actuador neumático identificó cinco factores principales contribuyentes:

Almacenamiento y manejo inadecuados, por ejemplo, colocando actuadores neumáticos desmontados directamente en el suelo sin la protección adecuada.

Instalación incorrecta - por ejemplo, interferencia de tuberías de entrada de aire bloqueadas por soportes, causando deformación por tensión de las tuberías.

Operación inadecuada por parte del personal, por ejemplo, alterando los ajustes del equipo original, como los valores de par.

Limpieza inadecuada del equipo, por ejemplo, acumulación de escombros y corrosión del perno, lo que lleva al atasco del vástago de la válvula y al bloqueo de la línea de entrada de aire.

Procedimientos operativos de incumplimiento con - por ejemplo, no quitar el pasador de bloqueo del indicador de posición de la válvula durante el funcionamiento, causando deformación o daño a la varilla indicadora.

Para mitigar los problemas de calidad causados por un manejo inadecuado en el sitio, se desarrolló y validó un estándar de protección e inspección de calidad para válvulas de globo neumático a través de una implementación práctica. Este estándar define puntos críticos de inspección y protección en cada etapa después de que la válvula llega al sitio. Permite la detección temprana de posibles defectos del equipo, la identificación rápida de medidas de protección clave y proporciona orientación para garantizar la calidad del equipo durante la instalación, la puesta en marcha y la operación.

3,3 Método de diagnóstico de fallas de válvula de globo neumático

Basado en modos de fallo potencial y procedimientos estandarizados establecidos para válvulas neumáticas en plantas de energía nuclear, combinado con un análisis de fallas comunes en válvulas de globo neumáticas suministradas por Francia, se propone una metodología de diagnóstico de fallas sistemática. Este método ofrece una guía sistemática para la instalación, puesta en marcha y mantenimiento en todas las etapas en el sitio. Cuando se aplicó durante la puesta en marcha en una planta de energía nuclear doméstica, acortó significativamente el tiempo necesario para la identificación y localización de fallas. Su aplicación en otros proyectos nucleares optimizó los horarios de puesta en marcha y permitió la resolución oportuna de problemas como fallas de apertura / cierre automático y tiempos de funcionamiento excesivos, sirviendo como una referencia valiosa para futuros trabajos de instalación y puesta en marcha.

Este documento investiga las fallas típicas de las válvulas de globo neumáticas suministradas por Francia en las plantas de energía nuclear domésticas, resume los modos de falla comunes en las unidades CPR1000 y propone un enfoque integral de diagnóstico de fallas y procedimientos estandarizados de mantenimiento y protección. Estos métodos se pueden aplicar a lo largo de la instalación, puesta en marcha y operación, proporcionando herramientas de diagnóstico efectivas y valiosa experiencia práctica para garantizar la confiabilidad de la válvula. Sobre la base de las condiciones reales en el sitio, se proponen soluciones prácticas que ofrecen una guía valiosa para abordar problemas similares en las plantas de energía nuclear CPR1000 mejoradas de un millón de kilovatios de China.