某核電廠主蒸汽安全閥技術(shù)改進及對運行影響

朱鋼梁+楊宇+常婷

【摘 要】本文結(jié)合參考電廠主蒸汽安全閥運行經(jīng)驗反饋，分析闡述了我廠主蒸汽安全閥改進原因及改進內(nèi)容，通過描述技術(shù)改進后對運行的影響，為某核電廠機組在主蒸汽安全閥技術(shù)改造后能安全穩(wěn)定運行提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】主蒸汽安全閥；運行反饋；故障分析；運行影響

0 概述

作為核電廠核安全二級設(shè)備，主蒸汽安全閥除了為蒸汽發(fā)生器和主蒸汽管線提供超壓保護，還承擔(dān)在Ⅲ類工況或Ⅳ類工況或Ⅱ類工況（如緊急停堆），在汽機旁路排放不能利用時，通過排除反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)產(chǎn)生的能量來防止一回路側(cè)超壓和過熱，以及通過限制蒸汽釋放的數(shù)量和速率來防止堆芯過冷的功能。

1 參考電站主蒸汽安全閥運行反饋及故障分析

參考電站主蒸汽安全閥采購的是法國的彈簧式安全閥，共計28臺，采用3+4的形式，即每條管線布置3臺助動彈簧安全閥和4臺機械彈簧安全閥。根據(jù)調(diào)試和運行維修的經(jīng)驗反饋，這些安全閥在運行過程中出現(xiàn)過一些問題和故障，這些運行故障在法國核電站的初期運行中也同樣出現(xiàn)過。下面就對這些問題進行匯總和分析：

1）法國同類核電站的主蒸汽安全閥在運行初期，多次出現(xiàn)過閥門誤開啟從而引起反應(yīng)堆停堆的事故，經(jīng)分析主要原因是由于助動式安全閥控制箱的電氣元器件故障導(dǎo)致控制回路失效或誤動作而引起的。根據(jù)這一外部經(jīng)驗反饋，為保證機組的穩(wěn)定運行，參考電廠主蒸汽安全閥的助動裝置一直未投入使用（未與控制箱連接）。同時，為了提高閥門開啟前的泄漏壓力，保證閥門在熱停堆工況下的密封性，運行部門在規(guī)程上將助動式主蒸汽安全閥的整定壓力設(shè)置為上限，即（8.3+0.1）MPa.a。

2）在參考電站調(diào)試期間以及2002年6月，主蒸汽安全閥1VVP104VV兩次在7.67 MPa.a壓力下起跳，但事后維修檢測發(fā)現(xiàn)，閥門的整定值并無異常；分析認為，主要原因是該閥門的助動裝置未投用，其整定值接近熱停堆工況下的蒸汽發(fā)生器二次側(cè)設(shè)計壓力，不滿足10%的冗余度要求。在熱停堆工況下，系統(tǒng)壓力峰值瞬間超過閥門整定值，導(dǎo)致安全閥意外開啟。

3）參考電站101大修熱停堆工況下一臺主蒸汽安全閥回座異常造成大量泄漏， 被迫冷停堆處理， 解體后發(fā)現(xiàn)閥芯密封線偏離正常位置5mm。經(jīng)分析，主要原因是閥門起跳后，大量蒸汽排放形成的振動使閥芯偏離中心線，造成彈簧的密封力不能平均分布在密封面上，導(dǎo)致密封不嚴而泄漏。

4）參考電站102大修熱停堆工況下兩臺主蒸汽安全閥出現(xiàn)輕微泄漏， 經(jīng)現(xiàn)場振動處理后泄漏消除。經(jīng)分析，原因有三點：一是，整定壓力為8.3MPa.a的安全閥開啟前密封壓力只有整定壓力的92%，由于未投用助動裝置，僅靠彈簧提供的密封壓力偏低，容易泄漏；二是，同一管線下游不遠的主蒸汽隔離閥長期振動超標(biāo)，也容易造成安全閥閥座密封面不能很好的接觸，導(dǎo)致泄漏；三是，熱停堆工況下主蒸汽系統(tǒng)壓力波動較大，超過安全閥的最低密封壓力，導(dǎo)致泄漏。

5）參考電站102大修中發(fā)現(xiàn)4臺主蒸汽安全閥閥內(nèi)件由于振動發(fā)生損傷， 其中2臺損傷嚴重。出現(xiàn)這種情況，主要原因不外以下兩點：一是，主蒸汽隔離閥長期振動超標(biāo)，導(dǎo)致安全閥的密封面振動而損傷；二是，安全閥長期輕微泄漏導(dǎo)致密封面損壞。

6）閥門是否開啟沒有信號顯示，操縱員無法判定閥門所處的狀態(tài)[1]。

2 某核電廠主蒸汽安全閥的技術(shù)改進

參考電站主蒸汽安全閥在調(diào)試和運行維修中出現(xiàn)的各種問題，提供了大量的反饋經(jīng)驗。從收集到的故障情況分析，主要故障集中在整定壓力為8.3MPa.a的助動式安全閥上。因此，為避免出現(xiàn)參考電站主蒸汽安全閥同樣的問題，在設(shè)計過程中實施改進。

2.1 采用彈簧式加載式安全閥

從法國核電站得到的運行經(jīng)驗反饋，助動裝置和配套控制柜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差，其由個別元器件故障引起的這套裝置的意外動作會導(dǎo)致安全閥誤開啟，這是工藝性的，可能會導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器失控排放，從而引起反應(yīng)堆停堆和過冷。因此取消了助動裝置和配套控制柜，改為采用彈簧加載式安全閥，從而避免了電氣元器件故障引起安全閥誤開啟從而導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆和過冷的事故發(fā)生。

2.2 主蒸汽安全閥的整定值和數(shù)量重新分布

由于參考電站助動安全閥的整定壓力只有8.3MPa，而且助動裝置未投入使用，與熱停堆壓力之間的差距過小，不滿足10%冗余的設(shè)計規(guī)范，容易引起閥門正常運行時的漏氣現(xiàn)象；從而增加正常運行總的維修量，影響機組穩(wěn)定運行，降低機組的可利用率。因此，某核電廠將每條蒸汽管線上的7臺主蒸汽安全閥的整定值和數(shù)量重新分布，仍按照整定值分為兩組，第一組安全閥起跳整定值由原來的8.3MPa提高到8.5MPa，數(shù)量由3臺減少為2臺，第二組安全閥起跳整定值不變，仍是8.7MPa，數(shù)量則由4臺增加為5臺；在這一改進中，由于第一組安全閥不參與Ⅱ類事故下蒸汽發(fā)生器的超壓保護功能，同時其整定值遠離熱停堆壓力（冗余度達到12%），使得這組安全閥的動作次數(shù)大大降低，減少了閥門頻繁起跳和泄漏引起的密封面損傷[2]。

2.3 改進安全閥閥芯組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

相對于參考電站的設(shè)計，此次某核電廠設(shè)計使用的閥芯組件有較大改進，主要包括兩個方面：一是，閥桿與閥芯的聯(lián)結(jié)以及作用點的變化。參考電站設(shè)計中閥桿端部帶有螺紋與閥芯上部組件聯(lián)結(jié)，閥桿與閥芯不直接聯(lián)結(jié)，閥芯由銷固定在反沖盤上，閥桿端部的作用點位置處在噴嘴密封面以上。某核電廠的主蒸汽安全閥閥芯和閥桿的聯(lián)結(jié)為“卡套”式聯(lián)結(jié)，在裝配狀態(tài)下，閥芯可以水平自由轉(zhuǎn)動并允許有一定的傾斜；閥桿端部為半球狀，閥芯內(nèi)腔與閥桿接觸面為內(nèi)球面，其觸點低于噴嘴密封面。這種設(shè)計有利于閥芯自動找正，可以保證閥桿的軸線與噴嘴環(huán)的中心線重合，確保密封面各方向的密封力均衡，有效降低蒸汽管道振動對安全閥的損傷。二是，閥芯機構(gòu)和密封形式的變化。參考電站安全閥閥芯與噴嘴環(huán)的密封是“平面密封”，在閥門頻繁動作和管道振動較大時，密封面容易損傷導(dǎo)致泄漏。某核電廠的主蒸汽安全閥閥芯與噴嘴接觸部分為金屬彈性密封面，金屬彈性密封面隨著管道壓力和溫度的變化而變化，在達到閥門開啟前最大密封壓力前密封面始終保持“線密封”的形式，密封性能更好。應(yīng)用這種新結(jié)構(gòu)后，閥門開啟前的密封壓力可以達到整定值的96%，大大降低由于系統(tǒng)壓力波動引起的閥門泄漏。在系統(tǒng)壓力遠低于整定壓力的96%時，閥芯與噴嘴為線密封，密封線在閥芯的外沿；當(dāng)系統(tǒng)壓力極其接近或等于整定壓力的96%時，閥芯在壓力的作用下膨脹，此時與噴嘴為面接觸；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過整定壓力的96%直到閥門開啟階段，閥芯在壓力的作用下繼續(xù)膨脹，此時與噴嘴的接觸又變成線密封，但密封線改成閥芯的內(nèi)沿了；當(dāng)閥門開啟后，由于壓力泄放，閥芯又恢復(fù)正常狀態(tài)[2]。

2.4 主蒸汽安全閥開啟探測裝置

參考電站設(shè)計考慮安全閥的開啟是瞬間動作，動作完成后系統(tǒng)壓力會有較大波動，主控通過監(jiān)測即可確定系統(tǒng)超壓保護是否有效，而沒有考慮每組安全閥的整定值設(shè)置比較接近，閥門開啟時無法確定是哪一臺閥門動作，從而無法確定哪臺閥門需要檢修，增加了運行與檢修人員的判斷時間和檢修工作量。因此，某核電廠的主蒸汽安全閥對此加以改進，增加閥門開啟探測裝置。當(dāng)安全閥的起跳高度達到1-2mm，該動作即可被探測到，但該信號僅能保持0.3秒的時間，需要高精度的信號接收設(shè)備來記錄。

2.5 某核電廠的主蒸汽安全閥采用改進的閥芯組件設(shè)計

使得閥門的開啟和回座時間更短（達到80ms和250ms），開啟前的密封壓力更高（達到整定壓力的96%而不泄漏）。

3 某核電廠主蒸汽安全閥技術(shù)改進對運行的影響

3.1 增加閥門探測開啟裝置的影響

當(dāng)一條主蒸汽管道上的任一個閥門處于非全關(guān)狀態(tài)時就會在主控室報警，便于主控室操縱員監(jiān)測任何一個閥門狀態(tài)及開啟次數(shù)。

3.2 對汽機旁路系統(tǒng)GCT的影響

由于在Ⅱ類瞬態(tài)工況下，保護蒸汽發(fā)生器壓力不超過設(shè)計壓力改為由GCT-C和GCT-A來保證，因此對GCT的邏輯改造及可靠性的提高進行了較大的改動。

3.2.1 GCT-A的改進對運行的影響

對于GCT-A采取的措施為提高系統(tǒng)儀控部分的鑒定等級為K3。對運行來說，影響不大。

3.2.2 GCT-C的改進對運行的影響

1）提升甩負荷時GCT-C解鎖信號的可靠性，也就是說，GCT-c從非核級系統(tǒng)更改為核級系統(tǒng)。

2）更改GCT-c的控制邏輯：在汽機跳閘后即產(chǎn)生C7A信號，允許第1、2組閥的開啟；在核功率大于P16時，汽機跳閘即產(chǎn)生C7B信號，允許第三組的開啟。這樣可以改進停機不停堆工況下GCT-c回路的響應(yīng)速度，防止VVP安全閥的開啟。

3）C9非信號的修改

在參考電廠的設(shè)計中，在下列任何一個信號觸發(fā)后將發(fā)出凝汽器不可用信號：

A.凝汽器壓力大于47KPa.a（2/3邏輯）；

B.在GCT125或127VL接受到開啟指令20s后，GCT125與127VL下游噴淋水壓力均低于0.68MPa。

在某核電廠將其修正為在下列任何一個信號觸發(fā)后將發(fā)出凝汽器不可用信號：

A.凝汽器壓力大于47KPa.a（2/3邏輯）；

B.在GCT125VL或GCT127VL接受到開啟指令15s后，下游噴淋水壓力低于0.68MPa（2/3邏輯）延時10S，二者相與后再延時12s產(chǎn)生。

4）增加了凝汽器故障信號

在以下信號之一發(fā)出時，將觸發(fā)冷凝器故障信號

A.凝汽器壓力大于32KPa.a（2/3）；

B.在GCT125VL或GCT127VL接受到開啟指令15s后，下游噴淋水壓力低于0.68MPa（2/3邏輯）延時10S兩者相與后產(chǎn)生。

5）GCT-C排凝汽器不可用信號的修改

在參考電站的設(shè)計中，GCT-c排凝汽器不可用信號由以下三部分組成（或門）：

A.一回路平均溫度與平均溫度整定值偏差小于1.75℃；

B.GCT-c的相應(yīng)系列至少一個手動隔離閥沒有全開；

C.存在第1、2組GCT-c調(diào)節(jié)閥的閉鎖信號或甩負荷大于50%時第3組閥存在閉鎖信號。

在某核電廠將其修改為：

A.一回路平均溫度與平均溫度整定值偏差小于1.75℃；

B.GCT-c的相應(yīng)系列至少一個手動隔離閥沒有全開C.P模式下，一、二回路溫差大于6℃。

3.2.3 RPR邏輯的修改對運行的影響

在參考電廠的RPR邏輯中，汽機跳閘引起的自動停堆邏輯為：

1）當(dāng)功率P<30%Pn（P16）時，汽機跳閘不引起自動停堆。

2）若P>30%Pn（P16）時，汽機跳閘后按照以下方式觸發(fā)自動停堆：

A.如果存在冷凝器不可用信號，則自動停堆；

B.否則在延時1秒后如果存在GCT不可用信號的話，也引發(fā)自動停堆。

3）其他情況下，汽機跳閘均不引起自動停堆。

在某核電廠機組汽機跳閘引起的自動停堆信號為：

（1）當(dāng)功率P

（2）當(dāng)P>P10時，出現(xiàn)下述條件之一時，汽機跳閘立即引起自動停堆：Tavg低-低信號（P12）、GCT排放閥手動閉鎖、冷凝器不可用（C9非信號）或冷凝器故障信號。

（3）若P>30%Pn時，出現(xiàn)GCT凝汽器不可用時，汽機跳閘延時1秒立即引起自動停堆。此次邏輯修改，降低了汽機跳機導(dǎo)致停堆的門檻。

4 結(jié)論

某核電廠主蒸汽安全閥取消助動裝置，采用兩組不同整定壓力的彈簧加載式安全閥，這樣的改進避免了助動裝置故障導(dǎo)致安全閥誤開啟事故的發(fā)生，大大降低由誤開啟引起的反應(yīng)堆停堆的風(fēng)險。改進措施的應(yīng)用，減少了熱停堆工況安全閥泄漏的幾率，從而減少了由于泄漏引起的檢修工作量，提高了機組的穩(wěn)定性和可利用率。

【參考文獻】

[1]更換主蒸汽系統(tǒng)加能助動式安全閥工程實施報告[R].中國核電工程有限公司.

[2]唐越強.秦山第二核電廠主蒸汽安全閥設(shè)計與技術(shù)改進[J].

[責(zé)任編輯：田吉捷]