核電廠穩(wěn)壓器SEBIM安全閥自主化檢修經(jīng)驗(yàn)反饋

鄧 冬,張發(fā)云，趙立彬，呂艷新，石 紅

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

SEBIM安全閥是目前世界上各國核電站中使用的最先進(jìn)的先導(dǎo)式安全閥，其有著卓越的低壓和超壓保護(hù)功能[1]。1979年美國三里島核事故，原因之一就是因?yàn)槌Ｒ?guī)的彈簧式安全閥閥桿起跳后不回座閥芯而引起的堆芯熔化事件。由此，法國SEBIM 安全閥廠家研制生產(chǎn)出SEBIM 安全閥組[2-4]，具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)繁雜、靈敏度高、可靠性高、功能完善的特點(diǎn)[5]。

穩(wěn)壓器是核電站核反應(yīng)堆三大主設(shè)備之一，對核島一回路壓力進(jìn)行控制并提供低壓和超壓保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。SEBIM安全閥對控制穩(wěn)壓器及一回路的正常運(yùn)行壓力起關(guān)鍵作用，具有卸壓功能，在RCP系統(tǒng)超壓時將穩(wěn)壓器壓力及時卸壓，保證一回路系統(tǒng)及設(shè)備安全；當(dāng)RCP系統(tǒng)低壓狀態(tài)時及時保護(hù)核島一回路壓力，避免由于系統(tǒng)壓力太低而產(chǎn)生堆芯融化風(fēng)險[1]。

在我國運(yùn)行的部分二代加及三代壓水堆核電站機(jī)組中，以嶺澳核電站為例，在穩(wěn)壓器上安裝了由2個先導(dǎo)安全閥串聯(lián)安裝組成的安全閥組共計3組，安全閥組實(shí)物圖見圖1所示。這兩個先導(dǎo)安全閥是裝在閥組上游的提供卸壓功能的保護(hù)安全閥和裝在閥組下游的提供隔離功能的隔離安全閥[6，7]。機(jī)組正常運(yùn)行工況下，保護(hù)安全閥呈關(guān)閉狀態(tài)，隔離安全閥呈開啟狀態(tài)[8]。保護(hù)安全閥開啟再關(guān)閉失效時，為保護(hù)一回路系統(tǒng)正常運(yùn)行壓力，防止RCP系統(tǒng)進(jìn)一步卸壓，隔離安全閥自動關(guān)閉[9]。

圖1 安全閥組實(shí)物圖Fig.1 Safety valve group installation diagram

RCP系統(tǒng)SEBIM安全閥組及整定壓力見表1。

按照下表2，遷移六通道記錄儀的量程，對應(yīng)六個SEBIM閥閥桿位移信號。

RCP系統(tǒng)3組穩(wěn)壓器安全閥組對應(yīng)的閥桿位移要求和排水量期望值見表3，開啟和關(guān)閉時間要求期望值見表4。

表1 RCP SEBIM安全閥組及整定壓力Table 1 RCP SEBIM safety valve and setting pressure

表2 RCP SEBIM安全閥量程Table 2 RCP SEBIM safety valve range

表3 RCP SEBIM安全閥閥桿位移和排水量Table 3 RCP SEBIM safety valve stem shifting and water discharge

表4 RCP SEBIM安全閥開啟關(guān)閉時間Table 4 RCP SEBIM safety valve opening and closing time

1 SEBIM安全閥結(jié)構(gòu)原理

每個SEBIM安全閥組均由保護(hù)安全閥、隔離安全閥、先導(dǎo)閥和控制系統(tǒng)組成[10，11]，保護(hù)安全閥和隔離安全閥統(tǒng)稱為主閥，安全閥組結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制系統(tǒng)通過脈沖管線和動力管線與系統(tǒng)和主閥相聯(lián)接，通過脈沖管線探測系統(tǒng)壓力，經(jīng)過先導(dǎo)控制單元和動力管線控制閥頭活塞壓力，用以控制主閥的開啟和回座。

圖2 安全閥組總結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Relief valve group schematic diagram

1.1 主閥結(jié)構(gòu)

構(gòu)成主閥的金屬部件均為不銹鋼材料，主要包括閥體、閥瓣、鰭形筒、閥頭和活塞[12]。閥體內(nèi)含噴嘴閥座，對于保護(hù)閥，自由狀態(tài)下閥瓣與閥座密封面之間為閉合狀態(tài)；閥瓣帶有平衡背壓作用的波紋管；鰭形筒為閥桿提供導(dǎo)向，并帶有起散熱作用的翅片；閥頭和鰭形筒共同構(gòu)成閥頭腔體，探測動力管線壓力；活塞隨閥頭壓力變化控制閥桿移動，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和回座。主閥的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 安全閥組總構(gòu)圖Fig.3 Main valve schematic diagram

1.2 先導(dǎo)控制閥結(jié)構(gòu)

先導(dǎo)閥在安全閥組中行使壓力敏感和控制元件的作用。具有傳動桿及調(diào)節(jié)開啟壓力的彈簧、彈簧座及彈簧調(diào)節(jié)裝置。在彈簧上部傳動桿上帶有一個先導(dǎo)活塞,活塞腔與設(shè)備用脈沖管連通,活塞的上下移動受一回路內(nèi)的壓力控制。

先導(dǎo)控制閥R1/R2的設(shè)計、制造工藝及工作原理等方面完全相同，可相互替換使用，由于R1和R2分別安裝于控制柜中的不同管路中，賦予不同的功能，所以分別用R1和R2加以區(qū)分，可以簡單將先導(dǎo)閥R1/R2理解為單向球芯可控逆止閥。

先導(dǎo)控制閥R1/R2的特點(diǎn)是控制閥的自由狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，在彈簧彈力的作用下將閥芯壓在閥座上，使控制閥自由狀態(tài)處于關(guān)閉狀態(tài)。此時，如果控制閥的進(jìn)口存在帶壓的流體，在復(fù)位彈簧彈力和液體壓力的雙重力作用下將閥芯緊緊的壓在閥座上，從而使閥門控制閥關(guān)閉得更嚴(yán)密。

當(dāng)控制柜中的控制桿在一回路壓力的驅(qū)動下移動時，固定在其上的控制板觸動并按壓控制閥的觸頭并使之移動，這個位移經(jīng)傳動杠桿推動開啟頂桿，從而使開啟頂桿開始位移，開啟頂桿克服復(fù)位彈簧的彈力和液體壓力將閥芯頂離閥座，控制閥則被打開。流體從控制閥的進(jìn)口流入，經(jīng)進(jìn)口紊流筒均勻流過已打開的閥座，最后經(jīng)出口紊流孔板流出控制閥出口。

先導(dǎo)控制閥R1/R2主體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 先導(dǎo)控制閥(R1/R2)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Pilot control valve(R1/R2)schematic diagram

2 SEBIM安全閥自主化檢修

我國第一臺商業(yè)運(yùn)行的大亞灣核電站就已在穩(wěn)壓器安裝使用SEBIM安全閥。最初，SEBIM安全閥的全部維修活動都是由安全閥制造廠家獨(dú)立完成的，成本高，響應(yīng)慢，難以滿足核電站機(jī)組現(xiàn)場突發(fā)事件的安全性和技術(shù)性要求。為了保障機(jī)組運(yùn)行安全，占據(jù)設(shè)備檢修和維護(hù)的主動權(quán)，經(jīng)過不懈努力，核電站實(shí)現(xiàn)了SEBIM安全閥檢修的自主化。核電站SEBIM安全閥檢修包括預(yù)防性維修和糾正性維修。

2.1 SEBIM安全閥預(yù)防性維修

SEBIM安全閥的預(yù)防性維修是根據(jù)預(yù)防性維修大綱，按照確定的預(yù)防性維修計劃和維修程序、細(xì)則等對安全閥實(shí)施維修，一般特指SEBIM安全閥在核電站機(jī)組停堆大修期間的預(yù)防性維修工作[14]。SEBIM安全閥的預(yù)防性維修是其正常運(yùn)行的關(guān)鍵，維修內(nèi)容包括閥門及控制柜的解體檢查、充水排氣、離線壓力整定和在線可用性驗(yàn)證等試驗(yàn)[13][15]。

2.2 SEBIM安全閥糾正性維修

SEBIM安全閥的預(yù)防性維修和糾正性維修是相輔相成的，大修期間的預(yù)防性維修質(zhì)量直接決定了設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。隨著維修技術(shù)水平和預(yù)防性維修質(zhì)量的不斷提高，SEBIM安全閥在試驗(yàn)和運(yùn)行期間的突發(fā)事件逐漸減少，但是設(shè)備自身固有的機(jī)械故障不能完全避免，所以糾正性維修是被動的。一般將糾正性維修過程劃分為故障診斷、臨時處理、計劃準(zhǔn)備、最終修復(fù)和再鑒定試驗(yàn)等。

穩(wěn)壓器SEBIM安全閥在運(yùn)行過程中發(fā)生的常見故障包括先導(dǎo)控制閥R1/R2泄漏故障和可用性試驗(yàn)水耗量超標(biāo)問題，另外還包括針閥泄漏和控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象等偶發(fā)性故障。

2.2.1 SEBIM先導(dǎo)控制閥R1/R2泄漏故障

根據(jù)故障發(fā)生時先導(dǎo)控制閥R1/R2所處的不同工況，將泄漏故障主要分為壓力標(biāo)定試驗(yàn)時發(fā)生泄漏和安全閥開啟動作試驗(yàn)時發(fā)生的泄漏兩類。

(1)壓力標(biāo)定試驗(yàn)時發(fā)生泄漏

泄漏主要集中在進(jìn)行壓力標(biāo)定時發(fā)生并使所做記錄的圖形出現(xiàn)偏差，多數(shù)情況可以通過試驗(yàn)臺的高壓水突然釋放的方法(手動壓按R2達(dá)到同時對R1和R2進(jìn)行沖洗的處理)。

先導(dǎo)控制閥的這種滲漏是由于控制閥的閥芯和閥座的線形密封面上有細(xì)小的雜質(zhì)存在所致，說明這種密封形式是比較容易出現(xiàn)輕微泄漏，為了避免細(xì)小雜質(zhì)的存在，在過濾罐中特別設(shè)計兩道40μ和9μ的濾網(wǎng)。同時也要極認(rèn)真對待所有要經(jīng)過R1和R2控制閥的水質(zhì)情況和零部件的清潔情況，以避免這種泄漏，或盡量避免由于這種雜質(zhì)對控制閥密封面的損傷而使R1和R2不可用。

(2)安全閥開啟動作試驗(yàn)時發(fā)生泄漏

關(guān)于此類泄漏的成因比較復(fù)雜，常見的情況與在壓力標(biāo)定試驗(yàn)階段所發(fā)生的泄漏情況相同，這種情況也是出現(xiàn)最多的一種故障，不會對控制閥R1和R2的功能產(chǎn)生影響，解決措施也與壓力標(biāo)定試驗(yàn)時發(fā)生泄漏相同。另一種情況是由于閥門長期處于開或關(guān)狀態(tài)下，控制閥R1或R2開狀態(tài)造成密封面存在細(xì)小雜質(zhì)或極輕微的硼晶所致，這種泄漏多數(shù)集中在隔離閥中，它容易造成R1和R2密封性降低。如果發(fā)生泄漏故障處理不及時，會危及整個控制柜可用性。

(3)先導(dǎo)控制閥泄漏故障處理措施

針對先導(dǎo)控制閥這兩類常見泄漏故障，首先應(yīng)強(qiáng)行開關(guān)閥門數(shù)次，盡量使R1和R2密封面上的異物被沖走，恢復(fù)其密封功能；如果處理無效，用特殊方式將控制板旋動，使R1和R2同時關(guān)閉進(jìn)行密封，以避免汽凝罐內(nèi)水流光，導(dǎo)致高溫水和蒸汽流出而損壞R1和R2以及控制柜其它部件；然后逐一檢查并確保R1和R2的密封性完好的情況下恢復(fù)控制板的位置。

在實(shí)際開展維修工作過程中，要進(jìn)行先導(dǎo)控制閥泄漏故障的原因分析，必須首先了解和掌握其工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于壓力標(biāo)定試驗(yàn)時發(fā)生泄漏和安全閥開啟動作試驗(yàn)時發(fā)生的泄漏兩種情況，結(jié)合其在核電廠中實(shí)際的運(yùn)行工況和環(huán)境，進(jìn)而分析其產(chǎn)生泄漏故障的根本原因并采取相應(yīng)的控制措施。

2.2.2 可用性試驗(yàn)水耗量超標(biāo)問題

由于余熱排出系統(tǒng)RRA和化學(xué)和容積控制系統(tǒng)RCV可用性試驗(yàn)中水耗量只是參考標(biāo)準(zhǔn)，耗水量超標(biāo)問題只在反應(yīng)堆控制系統(tǒng)RCP SEBIM安全閥開啟試驗(yàn)時發(fā)生，即在RCP系統(tǒng)處于25bar，180℃時工況下需要對穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行在線動作試驗(yàn)，在各閥門動作后，從其控制柜排水管口處測得的各耗水量值有時會超出標(biāo)準(zhǔn)值范圍。

(1)水耗量的形成

當(dāng)保護(hù)安全閥關(guān)閉時，R1打開，R2關(guān)閉，從主閥上部到R2之間的管道線路充滿水，通過R1與一回路連通而維持等壓。當(dāng)實(shí)施安全閥動作試驗(yàn)時，先將R1關(guān)閉，再將R2打開，主閥體活塞室外的壓力卸壓，一回路壓力推動活塞將水排出至集水漏斗，排出的水量稱為閥門開啟時的水耗量[2]。

為保證穩(wěn)壓器安全閥閥組的穩(wěn)定性和可靠性，需定期地對其進(jìn)行各種檢查和試驗(yàn)，以驗(yàn)證各項指標(biāo)均在技術(shù)規(guī)范要求之內(nèi)，水耗量就是諸多標(biāo)準(zhǔn)之一。

(2)克服水耗量超準(zhǔn)的措施

針對穩(wěn)壓器SEBIM安全閥在可用性試驗(yàn)中水耗量的超標(biāo)問題，在維修過程中，首先確保注水排氣工具的密封性，避免由于工具問題將空氣帶入管線和主閥活塞室內(nèi)，其次確保反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)REA的水中是否含有大量不溶氣體，注水排氣時要注意REA水質(zhì)的情況，如果呈乳白色則是水中含大量不溶性氣體，進(jìn)行注水排氣時，應(yīng)嚴(yán)格按照維修操作程序進(jìn)行操作并注意水排情況。

水耗量測試是驗(yàn)證安全閥在技術(shù)規(guī)范中的各項技術(shù)指標(biāo)，目的是通過另一種途徑驗(yàn)證閥門開啟的一種手段。如果安全閥動作時耗水量超出標(biāo)準(zhǔn)，則會對驗(yàn)證閥門開啟的試驗(yàn)產(chǎn)生困難。

2.2.3 其他常見故障

先導(dǎo)控制閥內(nèi)漏和水耗量超標(biāo)問題是影響SEBIM安全閥可用性的重要故障。此外，還有一些較為常見的故障，例如針閥泄漏問題和控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象等。

(1)針閥泄漏

SEBIM安全閥主要用于穩(wěn)壓器超壓保護(hù)和一回路壓力保持，但是在核電站內(nèi)其他管路也會少量使用SEBIM安全閥，也會發(fā)生類似的泄漏等故障。對于針閥的泄漏，最初處理方法是緊固針閥，但未能夠解決，然后再安裝加工的絲堵，消除了外漏。解體檢修時發(fā)現(xiàn)針閥作為閥瓣的滾珠已經(jīng)嚴(yán)重破裂，經(jīng)分析認(rèn)為可能的原因?yàn)榫o固力矩過大，導(dǎo)致滾珠破裂或水質(zhì)不合格，使?jié)L珠產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

針對針閥泄漏問題的經(jīng)驗(yàn)反饋，防止后續(xù)工作中出現(xiàn)此類共模故障，一是在解體檢修時，首先目視檢查閥門密封面(包括滾珠和針閥座密封面)，在檢查滾珠密封面時，應(yīng)手動滾動滾珠，查看所有的球面，如發(fā)現(xiàn)問題，立即更換；二是安裝針閥時，在針閥滾珠表面薄薄地涂一層潤滑油；三是用超聲波清洗零件后，再用丙酮清洗，去除可能存在的能夠引起應(yīng)力腐蝕的雜質(zhì)元素；最后應(yīng)嚴(yán)格控制閥門安裝力矩。

(2)控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象

在安全閥控制柜進(jìn)行解體檢修后，為驗(yàn)證控制柜的性能穩(wěn)定，必須進(jìn)行至少10次(目前一般是30次)的循環(huán)壓力整定，觀察開關(guān)壓差ΔP的穩(wěn)定性。試驗(yàn)時，有時會發(fā)現(xiàn)ΔP也會隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加而增加，而且不會穩(wěn)定于一個值，甚至在第一次壓力整定就發(fā)現(xiàn)ΔP過大；在進(jìn)行例行壓力整定時，有時在沒有進(jìn)行過解體檢修的控制柜上發(fā)現(xiàn)開、關(guān)壓力和上次大修時數(shù)值相差較大。

經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)此類問題的可能原因主要有安裝控制柜探測單元時，各零部件同心度不一致、探測頭活塞底部沉孔和控制桿端頭對中不準(zhǔn)確、第一道BAL-SEAL密封性不嚴(yán)密、由于磨損，使兩道BAL-SEAL的導(dǎo)向效果較差等。

針對壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象，在控制柜維修過程中使用有效的控制措施，包括利用平板、V型鐵和百分表檢查控制桿和彈簧的直度；檢查確認(rèn)活塞底部沉孔為圓球面，而不是錐面形狀；檢查確認(rèn)活塞外表面和套筒內(nèi)表面是否有劃痕，如果有劃痕，則需立即進(jìn)行更換；安裝活塞前，用控制桿和活塞進(jìn)行對接，確認(rèn)結(jié)合和潤滑良好；緊固彈簧機(jī)構(gòu)時分多次對角均勻緊固螺栓，用蓋板校驗(yàn)平行度。

針閥泄漏問題和控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象是在安全閥檢修過程中發(fā)現(xiàn)的較為典型的故障，針對其檢修的原因分析和處理措施是在檢修實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)反饋中不斷總結(jié)積累的分析和總結(jié)。除此之外，還有為安全閥提供密封功能的密封墊或密封圈發(fā)生的泄漏現(xiàn)象等。

3 結(jié)論

從安全性的角度，SEBIM安全閥具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)繁雜、靈敏度高、可靠性高、功能完善等顯著特點(diǎn)，在核電站穩(wěn)壓器部件的使用有其必要性和不可替代性。SEBIMN安全閥檢修工作的系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，建立了經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了檢修的自主化并進(jìn)行了優(yōu)化，為后續(xù)SEBIM安全閥檢修工作打下了良好的基礎(chǔ)。

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