核電廠軸流式止回閥作為安全殼隔離閥的定期試驗(yàn)問(wèn)題分析和應(yīng)對(duì)措施研究

褚福立

(山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116)

某核電廠單臺(tái)機(jī)組的安全殼隔離閥中有7臺(tái)為軸流式止回閥，均位于安全殼廠房?jī)?nèi)，分別布置于儀用壓空系統(tǒng)、氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、除鹽水供應(yīng)系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、化容系統(tǒng)、乏池冷卻系統(tǒng)等中[1]，執(zhí)行安全殼隔離功能，均為核2級(jí)閥門(mén)。這些軸流式止回閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，尺寸分別為1/2 in、1 in、2 in、3 in、4 in、8 in，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)除化容系統(tǒng)的加氫隔離閥為1500INT磅級(jí)(焊接)和蓄壓箱充氮隔離閥為900磅級(jí)(法蘭連接)外，其余均為150磅級(jí)(法蘭連接)。軸流式止回閥的介質(zhì)根據(jù)所在系統(tǒng)不同，分別為空氣、氮?dú)?、氫氣、除鹽水、冷凍水和含硼水等，且均為能動(dòng)(Active)閥門(mén)，有泄漏率要求。根據(jù)ASME OM CODE規(guī)定[2]和10CFR50 附錄J的規(guī)定，需要定期執(zhí)行動(dòng)作試驗(yàn)和安全殼泄漏率試驗(yàn)，在役試驗(yàn)結(jié)果將影響機(jī)組的功率提升和穩(wěn)定運(yùn)行。

本文所述的軸流式止回閥在設(shè)計(jì)上均有保持關(guān)閉、轉(zhuǎn)換關(guān)閉的安全功能，并且都是“Active”的能動(dòng)閥門(mén)。軸流式止回閥的在役試驗(yàn)內(nèi)容為定期的安全殼泄漏率試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)。本文主要討論這些軸流式止回閥的安全殼泄漏率試驗(yàn)和開(kāi)關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)不合格問(wèn)題。

該核電廠兩臺(tái)機(jī)組的軸流式止回閥安全殼泄漏率試驗(yàn)多次出現(xiàn)不合格，泄漏率超標(biāo)，動(dòng)作試驗(yàn)也存在多次不合格，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

1 軸流式止回閥的泄漏問(wèn)題

根據(jù)ASME OM的規(guī)定，軸流式止回閥作為能動(dòng)(Active)閥門(mén)，也是OM卷的A、C類(lèi)閥門(mén)，其安全功能主要是保持安全殼邊界的密封性(泄漏)要求和轉(zhuǎn)換至安全位置的要求。為驗(yàn)證以上兩項(xiàng)安全功能，其在役試驗(yàn)項(xiàng)目分為兩項(xiàng)，在換料停堆時(shí)執(zhí)行的安全殼泄漏率試驗(yàn)和定期的開(kāi)關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)。開(kāi)關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)的周期原則上為每季度一次，但如果實(shí)施此試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)或給人員帶來(lái)額外的輻照風(fēng)險(xiǎn)，可選擇在大修期間實(shí)施。該核電廠的軸流式止回閥中除化容系統(tǒng)加氫隔離閥和蓄壓箱充氮隔離閥可每季度實(shí)施動(dòng)作試驗(yàn)外，其他閥門(mén)均在換料大修期間執(zhí)行。

1.1 軸流式止回閥的試驗(yàn)要求

(1)安全殼泄漏率的試驗(yàn)方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則

軸流式止回閥的安全殼泄漏率試驗(yàn)，首先是閥門(mén)已安裝在工藝管道上，使用工藝系統(tǒng)上預(yù)留的試驗(yàn)閥和試驗(yàn)接口，在正常介質(zhì)流動(dòng)的反方向上采用泄漏監(jiān)測(cè)儀提供的56 psig空氣或氮?dú)膺M(jìn)行密封試驗(yàn)，測(cè)量空氣或氮?dú)獾牧髁?，?dāng)測(cè)量的補(bǔ)充氣體流量(數(shù)值)小于驗(yàn)收限值則表明此試驗(yàn)結(jié)果合格(見(jiàn)圖1)。

圖1 安全殼泄漏率試驗(yàn)回路示意圖Fig.1 The containment leakage rate test flowchart

安全殼泄漏率試驗(yàn)的試驗(yàn)周期原則上為每30個(gè)月執(zhí)行一次，在機(jī)組運(yùn)行初期為避免試驗(yàn)超期，在首次換料大修時(shí)均需實(shí)施此試驗(yàn)。根據(jù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合安全殼總泄漏率的要求，單臺(tái)止回閥的泄漏率限值要求參考閥門(mén)口徑大小進(jìn)行確定，小于4 in止回閥的泄漏率驗(yàn)收限值規(guī)定為2 000 sccm，大于等于4英寸的止回閥的泄漏率驗(yàn)收限值規(guī)定為2 500 sccm。

(2)動(dòng)作試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則

軸流式止回閥的動(dòng)作試驗(yàn)分為開(kāi)啟試驗(yàn)和關(guān)閉試驗(yàn)兩部分。開(kāi)啟試驗(yàn)用于驗(yàn)證閥內(nèi)件能夠?qū)崿F(xiàn)部分開(kāi)啟；關(guān)閉試驗(yàn)用于驗(yàn)證閥內(nèi)件已位于關(guān)閉位置(安全位置)(見(jiàn)表1)。

表1 軸流式止回閥動(dòng)作試驗(yàn)要求Table 1 The nozzle check valve exercise test requirement

動(dòng)作試驗(yàn)的周期原則上為每季度(系統(tǒng)具備試驗(yàn)條件)，如動(dòng)作試驗(yàn)會(huì)造成機(jī)組瞬態(tài)或人員的額外輻照，可以在換料停堆期間實(shí)施。

1.2 軸流式止回閥的試驗(yàn)情況

(1)安全殼泄漏率試驗(yàn)

在該核電廠1號(hào)和2號(hào)機(jī)組調(diào)試階段，軸流式止回閥均進(jìn)行了安全殼泄漏率試驗(yàn)，由于系統(tǒng)內(nèi)異物、介質(zhì)不清潔等原因，導(dǎo)致大量的調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果不合格，經(jīng)解體維修后重新試驗(yàn)結(jié)果合格。

在1號(hào)機(jī)組首次臨界前，完成了兩次定期試驗(yàn)(為避免第一次完成的定期試驗(yàn)在首次大修時(shí)超期的風(fēng)險(xiǎn)，補(bǔ)做了第二次定期試驗(yàn))。除了冷凍水隔離閥出現(xiàn)不合格外，其他閥門(mén)均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求(見(jiàn)表2)。

表2 1號(hào)機(jī)組軸流式止回閥的安全殼泄漏率歷次試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The containment leakage rate test all past test results of nozzle check valve in Unit 1

2號(hào)機(jī)組在進(jìn)行定期試驗(yàn)(由于2號(hào)機(jī)組的首次定期試驗(yàn)與機(jī)組臨界接近，不存在超期風(fēng)險(xiǎn)，故截至目前僅進(jìn)行了一次定期試驗(yàn))出現(xiàn)大量的不合格問(wèn)題，經(jīng)多次解體維修后重新試驗(yàn)結(jié)果合格，但趨勢(shì)不好。其中，化容系統(tǒng)加氫隔離閥在動(dòng)作試驗(yàn)失敗后進(jìn)行了解體維修，多次重做泄漏率試驗(yàn)仍不能滿(mǎn)足泄漏要求，采取過(guò)渡措施變更為升降式止回閥后試驗(yàn)合格(見(jiàn)表3)。

表3 2號(hào)機(jī)組軸流式止回閥的安全殼泄漏率歷次試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The containment leakage rate test all past test results of nozzle check valve in Unit 2

(2)動(dòng)作試驗(yàn)

化容加氫隔離閥和蓄壓箱充氮隔離閥每季度執(zhí)行動(dòng)作試驗(yàn)，其他閥門(mén)每次換料大修期間執(zhí)行動(dòng)作試驗(yàn)。在換料大修期間動(dòng)作試驗(yàn)中的關(guān)閉試驗(yàn)可以使用安全殼泄漏率的試驗(yàn)結(jié)果，即安全殼泄漏率試驗(yàn)結(jié)果合格則表明閥門(mén)已處于關(guān)閉位置，同時(shí)滿(mǎn)足了動(dòng)作試驗(yàn)中的關(guān)閉要求。

由于化容加氫隔離閥和蓄壓箱充氮隔離閥每季度進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)，存在多次試驗(yàn)結(jié)果不合格的問(wèn)題。動(dòng)作試驗(yàn)不合格后，如對(duì)閥門(mén)進(jìn)行了解體檢查，則需要重新執(zhí)行安全殼泄漏率試驗(yàn)。

化容加氫隔離閥的動(dòng)作試驗(yàn)情況為：1號(hào)機(jī)動(dòng)作試驗(yàn)結(jié)果合格；2號(hào)機(jī)動(dòng)作試驗(yàn)不合格(關(guān)閉試驗(yàn)不滿(mǎn)足驗(yàn)收準(zhǔn)則)，多次維修仍不能達(dá)到密封要求，臨時(shí)變更為升降式止回閥進(jìn)行替代，關(guān)閉試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足要求。

蓄壓箱充氮隔離閥的動(dòng)作試驗(yàn)情況為：多次存在正向不導(dǎo)通、反向關(guān)閉不到位的情況，經(jīng)多次解體維修后試驗(yàn)結(jié)果能夠滿(mǎn)足要求，但在下一季度試驗(yàn)時(shí)仍然不合格。

2 原因分析

2.1 軸流式止回閥的維修

鑒于安全殼泄漏率試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)不合格時(shí)，需要對(duì)閥門(mén)進(jìn)行解體檢查。解體檢查發(fā)現(xiàn)了諸如密封面存在異物或顆粒、密封面劃傷、導(dǎo)向不足等問(wèn)題，從而導(dǎo)致安全殼泄漏率試驗(yàn)或動(dòng)作試驗(yàn)結(jié)果不滿(mǎn)足要求。

2.2 密封面的問(wèn)題分析

軸流式止回閥解體后，一方面發(fā)現(xiàn)在密封面處存在灰渣、鐵銹等顆粒狀異物夾雜，從而對(duì)密封面造成影響。

另外，由于閥門(mén)密封副結(jié)構(gòu)為金屬硬密封，彈簧僅起到輔助回座的作用且作用有限(為使閥門(mén)流阻較小，彈簧剛度較小)，依靠系統(tǒng)介質(zhì)本身的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，對(duì)閥芯、閥座的密封表面精度要求極高，并且在維修時(shí)需要較高的研磨技能(見(jiàn)圖2)。

圖2 氮?dú)庵够亻y的閥芯和閥座密封面Fig.2 The disc and seat seal surface of nitrogen nozzle check valve

2.3 閥芯導(dǎo)向的問(wèn)題分析

軸流式止回閥的現(xiàn)場(chǎng)布置方式均為水平布置，閥桿與導(dǎo)向套的配合方式為間隙配合。由于閥芯部位的質(zhì)量較大、閥桿部位質(zhì)量較小，從而導(dǎo)致閥桿在導(dǎo)向套之間“頭重腳輕”(閥芯向下傾斜)，閥芯與閥座密封面之間不能有效對(duì)中，從而導(dǎo)致密封面配合不嚴(yán)密。

并且，由于閥桿與導(dǎo)向套之間為間隙配合，異物、鐵銹等夾雜物長(zhǎng)期存在進(jìn)入閥桿和導(dǎo)向套之間的可能，這就會(huì)導(dǎo)致閥芯組件的卡澀，出現(xiàn)正向不導(dǎo)通或反向不回座的問(wèn)題。

圖3 含硼水冷卻隔離閥的閥芯和閥座密封面Fig.3 The disc and seat seal surface of boron water isolation check valve

2.4 焊接變形的問(wèn)題分析

在化容加氫隔離閥的季度動(dòng)作試驗(yàn)不合格后，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行了解體維修。研磨完成后重新進(jìn)行焊接，但出現(xiàn)多次焊接后密封不合格的問(wèn)題。由于閥門(mén)口徑較小，堆焊焊接部位距離密封面較近，焊接溫度導(dǎo)致密封面出現(xiàn)變形(閥芯和閥座受熱變形不一致)，從而導(dǎo)致密封不滿(mǎn)足要求(見(jiàn)圖4)。

圖4 化容加氫隔離閥外部結(jié)構(gòu)和閥芯組件Fig.4 The layout overview and disc assembly of hydrogen isolation check valve

3 解決措施

針對(duì)以上多個(gè)軸流式止回閥安全殼泄漏率試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)不合格的問(wèn)題，可以分別通過(guò)以下措施或方式進(jìn)行處理和糾正，從而提高軸流式止回閥的動(dòng)作和密封的可靠性。

3.1 閥門(mén)上游增加濾網(wǎng)，控制介質(zhì)清潔度

通過(guò)解體檢查發(fā)現(xiàn)部分軸流式止回閥的內(nèi)部存在較多的鐵銹等異物夾雜，從而對(duì)閥門(mén)的密封帶來(lái)挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，該核電廠通過(guò)在部分軸流式止回閥上游(安全殼外)增加濾網(wǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)清潔度控制，濾網(wǎng)的直徑不大于10 μm。增加的濾網(wǎng)濾芯可以進(jìn)行在線更換和壓差監(jiān)測(cè)，從而最大程度地減少系統(tǒng)內(nèi)異物對(duì)軸流式止回閥定期試驗(yàn)的影響。

3.2 閥門(mén)布置方式的調(diào)整

由于軸流式止回閥均是水平布置，閥桿在導(dǎo)向套內(nèi)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行程動(dòng)作。閥桿與導(dǎo)向套的安裝配合精度和裝配質(zhì)量不高，以及長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的磨損，會(huì)導(dǎo)致閥芯與閥座之間的密封不對(duì)中，從而使密封失效。

通過(guò)將止回閥的布置方式由水平調(diào)整為立式布置形式，閥門(mén)入口在下，出口在上，既能保持常閉位置，又能利用閥芯自重進(jìn)行自找中，從而避免導(dǎo)向套間隙誤差對(duì)密封面造成的影響。但閥門(mén)布置方式調(diào)整后，由于增加了閥芯重量，會(huì)增加一定的閥門(mén)前后壓降，增加了系統(tǒng)的流阻。

3.3 密封面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由于閥門(mén)密封面為金屬硬密封，對(duì)密封面的表面研磨精度要求極高，在系統(tǒng)介質(zhì)不佳和長(zhǎng)期開(kāi)關(guān)動(dòng)作后容易形成密封不滿(mǎn)足要求的情況。

改進(jìn)的閥芯密封面增加O型圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟密封的結(jié)構(gòu)能夠提高密封等級(jí)，并且原金屬密硬封結(jié)構(gòu)仍然保留，從而方便更換和維修。

圖5 軸流式止回閥優(yōu)化的密封結(jié)構(gòu)Fig.5 The optimized seal structure of nozzle check valve

3.4 閥門(mén)結(jié)構(gòu)形式的變更

由于軸流式止回閥的可維修性不佳，將小口徑的化容加氫隔離閥臨時(shí)變更為升降式止回閥。經(jīng)過(guò)評(píng)估分析對(duì)工藝系統(tǒng)流量的不穩(wěn)定性和流阻的影響在可接受的范圍內(nèi)，且安裝后使用效果良好。這提高了定期試驗(yàn)的成功率并提高了小口徑軸流式止回閥的可維修性，消除了焊接變形對(duì)密封面的影響。

4 結(jié)論

本文主要通過(guò)對(duì)某核電廠作為安全殼隔離閥的軸流式止回閥定期試驗(yàn)不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，分類(lèi)得出定期試驗(yàn)不合格的原因主要為系統(tǒng)介質(zhì)異物、布置方式不合適、焊接變形以及導(dǎo)向?qū)χ袉?wèn)題，并針對(duì)每項(xiàng)具體原因給出了相應(yīng)的解決措施和方案，給出的解決措施已在該核電廠進(jìn)行了部分實(shí)際驗(yàn)證，目前效果良好，為核電廠軸流式止回閥作為安全殼隔離閥的定期監(jiān)督試驗(yàn)問(wèn)題的解決提供借鑒和參考。