彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥在核電廠中的飛射物源對(duì)比分析

韓 冰 王保平 嚴(yán)思偉 余小權(quán) 廖先偉

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

核電廠內(nèi)部飛射物，是指核電廠內(nèi)任何地點(diǎn)的承壓部件、旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備以及爆炸等持續(xù)能量所加速的物塊。

高能流體系統(tǒng)中的閥門應(yīng)作為潛在的飛射物加以評(píng)價(jià)。閥體強(qiáng)度通常遠(yuǎn)強(qiáng)于連接管道，大多數(shù)情況下由閥體本身成為飛射物是相當(dāng)不可信的。閥蓋與閥體一般為螺栓連接，由于螺栓材料參考RCC-M所規(guī)定的極限應(yīng)力來(lái)選擇，法蘭的設(shè)計(jì)也參考RCCM的要求，所以阻止了閥蓋成為飛射物，即使螺栓可能會(huì)發(fā)生故障，但不可能所有的法蘭螺栓同時(shí)發(fā)生故障，因此，可認(rèn)為用螺栓連接的閥蓋不會(huì)成為可信的飛射物。如果在設(shè)計(jì)時(shí)除螺紋外還至少考慮了一種方法來(lái)防止閥桿飛射，例如，上密封或電動(dòng)/氣動(dòng)執(zhí)行裝置，那么閥桿就不作為潛在的飛射物來(lái)考慮。另外，螺母、螺栓、螺母和螺栓組件以及螺母和螺桿都只有很小的貯能，因此，不被認(rèn)為是可信的飛射物。

有一種例外的情況是穩(wěn)壓器安全閥，由于穩(wěn)壓器安全閥位于穩(wěn)壓器伸出平臺(tái)區(qū)域，假定穩(wěn)壓器安全閥連接閥蓋與閥體的螺栓會(huì)損壞，閥蓋飛射物彈出會(huì)影響安全殼內(nèi)襯的完整性。因此，穩(wěn)壓器安全閥應(yīng)作為潛在的飛射物源，考慮防護(hù)設(shè)計(jì)。

不同電廠所采用的穩(wěn)壓器安全閥種類不同，目前廣泛應(yīng)用的有彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥兩類，本文將對(duì)這兩類安全閥作為飛射物源的區(qū)別進(jìn)行對(duì)比分析。

1 閥門飛射物特征參數(shù)計(jì)算方法

1.1 流體力學(xué)限值

根據(jù)伯努利方程，流體的位置勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能、動(dòng)能為一常量C。

根據(jù)機(jī)械能守恒，假設(shè)破口瞬間，流體初始狀態(tài)靜止且位置不變，其壓強(qiáng)勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，此時(shí)為其流體速度的最大值，也是被該流體推動(dòng)的閥桿、閥蓋、溫度計(jì)速度的極限值，定義為vB。

1.2 經(jīng)典力學(xué)限值

已知飛射物源的質(zhì)量為m，破口表面積S，重力加速度g，管道絕對(duì)壓力P，環(huán)境壓力Pa，飛射物源與其飛射方向上的屏障距離為L(zhǎng)。假設(shè)破口瞬間的流體壓力持續(xù)不變地作用在飛射物源上，直至其撞擊到屏障，根據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué)，此時(shí)的極限速度值定義為vN。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，須比較vB和vN的大小，并取小值作為撞擊速度，此時(shí)仍具有很高的保守性，并能減少對(duì)速度的高估程度。

出于保守性，流體力學(xué)限值計(jì)算時(shí)，P可以取設(shè)計(jì)壓力，ρ可以取設(shè)計(jì)壓力下最高水溫對(duì)應(yīng)的最小密度。對(duì)于水中的硼酸濃度，濃度越高則密度增大，在不考慮少量硼酸對(duì)水物理性質(zhì)的影響下，可保守性地忽略硼酸對(duì)密度的影響。經(jīng)典力學(xué)計(jì)算時(shí)，飛射方向可以取向下，與重力同向。

2 穩(wěn)壓器安全閥飛射物計(jì)算

2.1 彈簧式安全閥

彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)電廠設(shè)計(jì)要求：

P=設(shè)計(jì)壓力17.23 MPa（a），

Pa=大氣壓力0.1 MPa（a），

設(shè)計(jì)溫度=360℃，

計(jì)算得：

ρ=560.15 kg/m3，

彈簧式安全閥的飛射物按照除閥體和閥座以外的部分計(jì)算：

飛射物質(zhì)量m=180 kg，

S=0.02 m2，

撞擊物為安全閥上方的鋼平臺(tái)，閥門距離撞擊物的距離L=3.6 m，

計(jì)算得：

a=2 150.29 m/s2，

綜上：

vB=248.03 m/s，

vN=124.42 m/s，

v=124.42 m/s。

2.2 先導(dǎo)式安全閥

根據(jù)電廠設(shè)計(jì)要求：

P=設(shè)計(jì)壓力17.23 MPa（a），

Pa=大氣壓力0.1 MPa（a），

設(shè)計(jì)溫度=360℃，

計(jì)算得：

ρ=560.15 kg/m3，

先導(dǎo)式安全閥的飛射物按照閥蓋部分計(jì)算：

飛射物質(zhì)量m=66.23 kg，

S=0.009 3 m2，

撞擊物為安全閥上方的鋼平臺(tái)，閥門距離撞擊物的距離L=3.79 m，

計(jì)算得：

a=2 395.59 m/s2，

綜上：

vB=248.03 m/s，

vN=134.72 m/s，

v=134.72 m/s。

3 穩(wěn)壓器安全閥飛射物防護(hù)

由上文計(jì)算可知，彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥飛射物的撞擊速度相差不大，但由于兩類閥門的結(jié)構(gòu)特性存在較大差異，彈簧式安全閥飛射物的質(zhì)量比先導(dǎo)式安全閥飛射物的質(zhì)量大得多，導(dǎo)致撞擊沖量也大很多，因此，在對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行飛射物防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意安全閥的類別，對(duì)于彈簧式安全閥，應(yīng)采取措施加強(qiáng)防護(hù)。

4 結(jié)論

由于穩(wěn)壓器安全閥在核電廠中的特殊位置，應(yīng)將其作為潛在的飛射物源考慮防護(hù)設(shè)計(jì)。目前，廣泛應(yīng)用的彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥因其結(jié)構(gòu)不同應(yīng)分別考慮其作為飛射物源的危害。根據(jù)本文對(duì)比分析，在閥門飛射物速度相近的情況下，彈簧式安全閥飛射物的質(zhì)量較先導(dǎo)式安全閥飛射物大得多，導(dǎo)致撞擊沖量也大得多，因此，在對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行飛射物防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，相較于先導(dǎo)式安全閥，應(yīng)對(duì)于彈簧式安全閥采取措施加強(qiáng)防護(hù)。