中國實驗快堆涉鈉閥門的運行維護管理

陳志旭

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

中國實驗快堆（CEFR）是我國第一座快中子反應(yīng)堆，其主熱傳輸系統(tǒng)的一、二回路和事故預(yù)熱排放系統(tǒng)的中間回路均以液態(tài)金屬鈉為冷卻劑[1]，相關(guān)的輔助系統(tǒng)如鈉充排系統(tǒng)、鈉分析監(jiān)測系統(tǒng)、鈉凈化系統(tǒng)等主要流通介質(zhì)也是液態(tài)金屬鈉。上述各系統(tǒng)中使用大量的鈉閥，所涉及的鈉閥類型涵蓋了截止閥、止回閥和調(diào)節(jié)閥，驅(qū)動類型包括手動驅(qū)動、遠程電動驅(qū)動和遠程氣動驅(qū)動，其密封形式主要采用波紋管密封或者鈉冷凍密封結(jié)構(gòu)。

1 CEFR鈉閥運行狀態(tài)管理

1.1 CEFR涉鈉閥門

CEFR中涉鈉系統(tǒng)較多，鈉閥的使用也非常普遍，在尺寸上大致有以下幾類：1）DN300、DN200電動閘閥安裝在蒸汽發(fā)生器進、出口的管道上；2）DN200、DN100、DN80、DN40、DN25電動波紋管截止閥及DN40電動波紋管調(diào)節(jié)閥安裝在一、二回路各輔助系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器和事故預(yù)熱排放系統(tǒng)的管道上。

一回路鈉循環(huán)泵本身結(jié)構(gòu)中帶有止回閥，手動操作，并有開啟、中間位置和關(guān)合狀態(tài)等3種位置的指示燈顯示。在止回閥處于關(guān)合位置時，機械結(jié)構(gòu)留有10%的開度，以便提供停泵時的鈉有自然循環(huán)通道。

二回路主冷卻系統(tǒng)在蒸汽發(fā)生器入、出口設(shè)置鈉快速截止閥，這是由于發(fā)生鈉-水反應(yīng)事故時保證系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器的安全所要求。其目的是為了切斷二回路中的鈉循環(huán)，隔離蒸汽發(fā)生器，保證二回路系統(tǒng)和設(shè)備的安全，快速截止閥的關(guān)閉時間應(yīng)小于25 s。

CEFR和普通熱堆最明顯的區(qū)別在于其一、二回路采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑，所以在其設(shè)備組成上涉鈉系統(tǒng)和設(shè)備占了很大比重。在CEFR中的重要涉鈉系統(tǒng)列舉如表1所示。

表1 CEFR中的重要涉鈉系統(tǒng)

表1中所列出的CEFR中的涉鈉系統(tǒng)均由鈉閥和管道及相應(yīng)的設(shè)備組成，不同類型、不同尺寸的鈉閥在上述系統(tǒng)正常功能的實現(xiàn)中起到極為重要的作用。在表2中列舉了一些典型的鈉閥及其參數(shù)。

表2 CEFR中的典型鈉閥

1.2 CEFR鈉閥的工作環(huán)境

CEFR的鈉閥門安裝在一、二回路及各輔助系統(tǒng)和事故余熱排放系統(tǒng)的工藝房間內(nèi)，屬于非維修房間，是氣密的，只在反應(yīng)堆停堆以后定期進行檢修。根據(jù)反應(yīng)堆的運行狀況，其工作的環(huán)境條件分為正常運行工況和事故工況兩類。

1）反應(yīng)堆額定運行工況時工作的外部環(huán)境為：環(huán)境介質(zhì)為空氣；壓力為大氣壓；相對濕度不大于75%；一回路輔助系統(tǒng)工藝間溫度低于60 ℃，二回路及其輔助系統(tǒng)工藝間溫度低于45 ℃；一回路輔助系統(tǒng)工藝間放射性劑量為15 Sv/h，二回路及其輔助系統(tǒng)工藝間放射性劑量為3×105Sv/h。

2）事故工況（鈉泄漏，發(fā)生鈉火）時工作的外部環(huán)境為：環(huán)境介質(zhì)為空氣（有氣溶膠）；壓力為0.13 MPa；相對濕度為90%；一回路輔助系統(tǒng)、二回路及其輔助系統(tǒng)工藝間溫度為90 ℃（發(fā)生概率為2年發(fā)生1次）或300 ℃（發(fā)生概率為30年發(fā)生1次）；一回路鈉比活度為1.1×1011Bq/L，二回路鈉比活度為3.7×104Bq/L。

此外，為保證液態(tài)鈉的流動性及鈉中雜質(zhì)不會在冷點析出聚集而發(fā)生堵塞，需要在充鈉之前將鈉閥溫度升至220 ℃，壓力調(diào)整為0.49 MPa。充鈉后閥門的加熱溫度由250 ℃升至505 ℃，達到穩(wěn)定工況，升溫速率為30 ℃/h?？倝燮诘?0%期間在穩(wěn)定工況下運行。溫度由505 ℃降到250 ℃時的降溫速率為30 ℃/h，再用氬氣置換鈉。

在上述嚴苛的條件下，涉鈉閥門的設(shè)計壽命要達到30 a，連續(xù)工作時間須大于10 000 h，鈉閥無故障計算周期為4 a。

1.3 鈉閥密封結(jié)構(gòu)

本文重點介紹兩種CEFR在役的鈉閥：冷凍鈉閥和波紋管鈉閥。

1.3.1 冷凍鈉閥

表2中所列舉的鈉閥門中，電動冷凍鈉閘閥即為前文所提到的位于二回路主冷卻系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器前后的快速截止閥。CEFR在役的大口徑電動冷凍鈉閥一共有4個，對稱分布于主熱傳輸系統(tǒng)二回路的2個環(huán)路[3]。

CEFR中管口直徑為300 mm鈉閥剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示（點畫線框內(nèi)為冷凍密封部位，涂黑部分為鈉冷卻劑）。圖1為閘板完全關(guān)閉的情況。

圖1 閘閥剖面圖

冷凍鈉閥形成密封的原理是：液態(tài)金屬鈉進入鈉閥后，閥體中的液態(tài)鈉會沿冷凍密封腔室上升，通過肋片向空氣中散熱，密封室內(nèi)鈉的溫度逐漸降低，直至凝固，形成環(huán)狀密封塞，阻止液態(tài)鈉進一步上升，至此冷凍密封建立完成[2]。

1.3.2 波紋管鈉閥

本文中波紋管鈉閥指波紋管密封鈉截止閥，該類閥門主要應(yīng)用相對尺寸較小（＜DN150）的鈉管道上，對管道中的介質(zhì)起截斷作用，CEFR各鈉相關(guān)系統(tǒng)中使用的閥門大部分采用這種結(jié)構(gòu)，其局部結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 波紋管鈉閥局部結(jié)構(gòu)圖

2 CEFR鈉閥維護保養(yǎng)程序

為了保證CEFR鈉閥設(shè)計功能的順利實現(xiàn)，需要對CEFR在役鈉閥進行定期的檢查和維護保養(yǎng)，原堆工所運行室出版了CEFR核島內(nèi)部分鈉閥的維護保養(yǎng)程序，規(guī)范了鈉閥的維保周期、維保內(nèi)容、風險分析、安全注意事項、前提準備、功能再鑒定等內(nèi)容[4]。本文以一回路鈉凈化系統(tǒng)的電動鈉閥C0101（PN1，DN65）為例，簡要闡述CEFR的鈉閥維護保養(yǎng)程序。

2.1 維保周期

維修保養(yǎng)周期應(yīng)定為每年1次，也可根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境、使用頻率及全系統(tǒng)調(diào)整情況確定維保周期。

2.2 維保內(nèi)容

1）閥門本體及驅(qū)動電裝的外觀，各接線的連接情況，保溫層是否完好；2）拆除閥體保溫，檢查閥體和電動執(zhí)行器緊固情況；3）對機械運動摩擦面進行潤滑維護；4）對執(zhí)行器電動機及接線端子等電氣相關(guān)設(shè)備和部件進行常規(guī)性安全檢查。

2.3 風險分析

1）設(shè)備安裝位置處于核島三級安全控制區(qū)，存在有輻射安全隱患；2）鈉閥的操作必須在閥門的溫度達到150℃以上后才可進行，否則可能造成閥門的損壞；3）高溫工況時維修操作對人身、設(shè)備及系統(tǒng)存有極大的危險性。

2.4 安全注意事項

1）做好輻射安全防護準備；2）了解系統(tǒng)當前工況，做到正確無誤的實施維修操作；3）維修工具應(yīng)設(shè)為專用，不得帶出控制區(qū)，工作完畢必須清洗后放置到指定存放處。

2.5 前提準備

1）工作開始前提出工作申請，并將維保工作加入日工作單，經(jīng)過審批允許后，在主控室打印工作許可證，方可開展工作；2）維修工作須有系統(tǒng)操作員在控制臺（柜）配合進行；3）閥門處于隔離狀態(tài)，且由系統(tǒng)負責人確認安全后開始操作；4）配有良好有效的通信設(shè)備；5）通風照明情況良好。

2.6 功能再鑒定

維保完成后需要對當前閥門進行就地手動和遠程電動啟閉操作，觀察其運行是否正常。

2.7 工作終結(jié)

1）現(xiàn)場清理；2）歸還或辦理結(jié)束工作許可證；3）由工作負責人填寫工作報告，工作執(zhí)行人及系統(tǒng)操作員簽字備案。

3 CEFR鈉閥泄漏事件分析

3.1 事件描述

在CEFR調(diào)試期間，運行人員對某系統(tǒng)進行預(yù)熱，預(yù)熱至某一管段時，由于該管段前后鈉截止閥均處于閉合狀態(tài)，且管段和閥體內(nèi)有部分未排凈的鈉積存，導(dǎo)致預(yù)熱過程中液態(tài)金屬鈉從鈉閥閥桿處溢出。事后現(xiàn)場檢查時此閥門波紋管密封已被破壞，鈉由此泄漏。

3.2 原因分析

該管段前后有鈉閥隔斷（如圖3），在系統(tǒng)排鈉過程中，反向吹掃該鈉管道時，若不能保持此段有一定的氬氣環(huán)境，鈉就可能被壓到泄漏閥門處，造成液態(tài)鈉在閥體和管段內(nèi)積存，并因降溫而凝固。事件發(fā)生時，電加熱投入，閥體內(nèi)的鈉受熱熔化，體積隨溫度升高持續(xù)增加，但閥體空隙的空間有限，沒有足夠的空間容納持續(xù)膨脹的鈉，最終導(dǎo)致液態(tài)鈉沖破鈉閥波紋管，并穿透機械密封、填料密封，形成泄漏。

圖3 發(fā)生鈉泄漏管段示意圖[7]

3.3 經(jīng)驗總結(jié)

本次事件直接原因是在沒有自由膨脹空間的情況下加熱封閉區(qū)域內(nèi)的凝固鈉，導(dǎo)致閥體內(nèi)的鈉受熱膨脹，沖破波紋管密封和機械密封、填料密封；根本原因是運行人員操作不規(guī)范和經(jīng)驗不足等人為因素。由此給出以下糾正行動：1）完善排鈉操作規(guī)程，對排鈉的鈉管道設(shè)備應(yīng)盡量吹掃干凈，防止局部積鈉冷凍；2）完善電加熱操作規(guī)程，按順序逐段預(yù)熱系統(tǒng)管道，避免對封閉區(qū)域內(nèi)的鈉加熱，保證鈉的自由膨脹空間；3）加強人員培訓，規(guī)范程序，并加強執(zhí)行力度。

4 結(jié)語

涉鈉閥門是CEFR及所有鈉冷快堆中的重要設(shè)備，在維持反應(yīng)堆正常運行及發(fā)生各類異常事件和事故時承擔重要的作用。CEFR實際運行時間較短，積累的運行經(jīng)驗還不足，需要現(xiàn)場的操縱員和相關(guān)維保人員相互協(xié)調(diào)，對鈉閥的操作和維護須遵循已有的規(guī)范，并針對不同的系統(tǒng)和工況做出相應(yīng)的調(diào)整，在各類規(guī)范的限定下執(zhí)行其設(shè)計功能。

從運行角度來看，在對涉鈉系統(tǒng)進行排鈉操作時，必須保證對排鈉的鈉管道、閥門等設(shè)備應(yīng)盡量吹掃干凈，防止局部鈉積存，留下隱患。在對閥門進行啟閉操作時，須保證其閥體溫度高于220 ℃，避免在鈉處于凝固狀態(tài)時對閥門進行操作。

從維保角度來看，需要嚴格按照鈉閥維保規(guī)程對鈉閥進行定期維保和不定期的檢查，保證鈉閥的驅(qū)動機構(gòu)和內(nèi)外密封的可靠性，并在執(zhí)行維保之前與運行人員做好溝通。