M310機組穩(wěn)壓器先導(dǎo)式安全閥的應(yīng)用及兩向分配器故障判斷

劉 強，尚憲和

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 穩(wěn)壓器先導(dǎo)式安全閥的應(yīng)用

三哩島事件的根源是人因失誤和機械故障，最主要的機械故障是穩(wěn)壓器安全閥組開啟后,當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)壓力下降至正常時，閥門由于故障未能自動回座，最終發(fā)生“LOCA”失水事件，堆芯90%的燃料棒包殼破損，47%的核燃料融毀。當(dāng)前M310核電機組的穩(wěn)壓器安全閥使用的是法國WEIR-SEBIM公司生產(chǎn)的先導(dǎo)式安全閥組。

1.1 先導(dǎo)式安全閥的組成

M310機型的穩(wěn)壓器SEBIM安全閥，共設(shè)置了3組SEBIM閥，每個閥組由串聯(lián)安裝的2臺閥門組成，上游閥門稱為安全閥，具有泄壓功能，3個保護(hù)閥有不同的整定壓力，為穩(wěn)壓器提供3重超壓保護(hù)。下游閥門稱為隔離閥，具有隔離功能，3個隔離閥整定值相同。系統(tǒng)正常運行時，保護(hù)閥關(guān)閉、隔離閥開啟，如果保護(hù)閥開啟之后無法回座時，隔離閥會在系統(tǒng)壓力降至138 bar時關(guān)閉，防止一回路進(jìn)一步泄壓[1]。

圖1 先導(dǎo)式安全閥的外觀圖Fig.1 The appearance of pilot operated safety valve

1.2 先導(dǎo)式安全閥的動作原理

圖2 先導(dǎo)式安全閥動作原理圖Fig.2 The schematic of the operation of the pilot operated safety valve

主閥的開啟和關(guān)閉是依靠閥頭活塞腔體的充壓和泄壓來實現(xiàn)的，見圖2，閥瓣面積為s；閥頭活塞面積為S；系統(tǒng)壓力為P；密封力為F。

建立方程：P×S=P×s+F，

F=P×(S-s)

設(shè)計中，S>s，所以密封力一直為正，而且閥頭壓力為系統(tǒng)壓力，密封力會隨著系統(tǒng)壓力的增加而增加，但是當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到控制柜整定壓力時，閥頭通過控制柜泄壓，此時閥頭活塞上壓力為零，閥瓣在系統(tǒng)壓力的作用下被頂起，閥門開度迅速達(dá)到全開。

1.3 先導(dǎo)式安全閥的控制原理

先導(dǎo)式安全閥的動作是通過控制柜來實現(xiàn)的，控制柜的整定壓力又是如何產(chǎn)生的呢？兩向分配器(R1或R2)是穩(wěn)壓器安全閥組的核心部件，閥組的動作和功能都是通過R1、R2來實現(xiàn)的。

圖3 先導(dǎo)式安全閥動作控制原理圖Fig.3 The schematic diagram of operation control of the pilot operated safety valve

見圖3：系統(tǒng)壓力經(jīng)冷凝器分成兩路，一路經(jīng)過過濾器去R1，另外一路不經(jīng)過過濾直接去控制柜的控制活塞。讓我們做如下計算：

設(shè)：系統(tǒng)壓力是P，彈簧彈性系數(shù)為K，彈簧預(yù)緊力為F，R1/R2間隔為X(以X=R1/R2間隔y-調(diào)整后的控制桿厚z)，控制活塞面積為a。

第一階段：

當(dāng)P≤F/a時，控制桿處于上限位置，頂起R1，R1打開。這時系統(tǒng)壓力P通過R1，進(jìn)入閥頭，作用于閥頭活塞上，閥門關(guān)閉。

圖4 先導(dǎo)式安全閥處于關(guān)閉狀況Fig.4 Closure of the pilot operated safety valve

第二階段：

P增大，控制桿逐漸離開R1，在未到達(dá)R2前，R1和R2都關(guān)閉，閥頭壓力保持原來壓力，此時閥頭依然維持R1關(guān)閉瞬間時的壓力，閥門關(guān)閉。

圖5 先導(dǎo)式安全閥處于關(guān)閉狀況Fig.5 Closure of the pilot operated safety valve

第三階段：

P繼續(xù)增大，達(dá)到P=F/a+K×X/a時，控制桿達(dá)到R2，R2打開，閥頭壓力通過R2排至漏斗，閥頭失壓，閥瓣在系統(tǒng)壓力的作用下迅速上移至全開；系統(tǒng)泄壓，P減小。

第四階段：

P繼續(xù)減小，當(dāng)P≤F/a+K×X/a時，控制桿離開R2，此時R1/R2關(guān)閉，閥頭保持失壓，閥門依然開啟；

第五階段：

P繼續(xù)減小，當(dāng)P=F/a時，控制桿達(dá)到R1，R1開啟，系統(tǒng)壓力P又通過R1，進(jìn)入閥頭，閥門關(guān)閉，至此，閥門完成一個循環(huán)。

圖6 先導(dǎo)式安全閥處于排放狀況Fig.6 Open of the pilot operated safety valve

圖7 先導(dǎo)式安全閥處于排放狀況Fig.7 Open of the pilot operated safety valve

圖8 先導(dǎo)式安全閥處于關(guān)閉狀況Fig.8 Closure of the pilot operated safety valve

2 兩向分配器的簡介

2.1 兩相分配器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

每組閥門中的保護(hù)閥或隔離閥控制機構(gòu)安裝兩個兩向分配器(R1和R2)，R1和R2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動作原理都是一樣的，其外形照片見圖10所示。

圖9 兩向分配器外形照片F(xiàn)ig.9 The appearance of the two-way allocator

兩向分配器的外形尺寸是60 mm×60 mm×45 mm,其內(nèi)部部件布置得非常緊湊。在五年期限的解體檢修期間，兩向分配器都作為整體必?fù)Q件進(jìn)行更換，無需對其進(jìn)行解體檢查，所以SEBIM廠家不提供兩向分配器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圖紙資料(主要為了專利技術(shù)的保密)。為了便于介紹兩向分配器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)兩向分配器實物，進(jìn)行測繪、建模，見圖11。

兩向分配器主要由底塊組件和執(zhí)行組件兩部分組成，底塊組件的作用是通過內(nèi)部閥芯的動作來控制進(jìn)出口流道之間的通、斷；執(zhí)行組件是通過杠桿機構(gòu)將外界的控制作用傳遞到底塊組件，使其內(nèi)部閥芯動作。

底塊組件主要由內(nèi)部流道、閥芯、頂針、彈簧和密封件(O形圈)等構(gòu)成，如圖12所示。內(nèi)部流道直接加工在底塊的內(nèi)部；閥座密封面通過過盈配合與底塊連接，并用O形圈密封；閥芯選用球形的紅寶石，其所帶來密封性比金屬材質(zhì)的閥芯更好，另外硬度和強度也更好；執(zhí)行組件的動作可以直接傳遞到頂針，而頂針直接作用在閥芯上；內(nèi)部彈簧的作用方向與頂針對閥芯的作用方向正好相反(相對)，彈簧可使閥芯與閥座密封面貼合保持密封，它是低壓密封力的主要來源，高壓密封性則是通過一回路的高壓介質(zhì)來提供的。

圖10 兩向分配器外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.10 The profile and internal structure sectional view of the two-way allocator

執(zhí)行組件通過頂塊作用在角形杠桿的一端，直角杠桿的另一端與底塊組件的頂針接觸，頂塊的上下移動可以通過支點直接傳遞到頂針上，使其頂針左右移動，如圖13所示。

2.2 兩相分配器功能的實現(xiàn)

兩向分配器的結(jié)構(gòu)和動作原理是一樣的，但是同一個閥門中的兩個兩向分配器的安裝位置和功能是不同的。R1和R2分別安裝在三塊組件中的上部塊的下部和下部塊的上部，如圖14所示，R1和R2的安裝位置豎直相對，先導(dǎo)凸臺位于R1和R2的頂塊之間，導(dǎo)桿與先導(dǎo)凸臺剛性連接,導(dǎo)桿的上下移動能帶動先導(dǎo)凸臺一起上下移動來控制R1、R2的動作。導(dǎo)桿的正上方是控制柜部件的重要組成部分先導(dǎo)彈簧桿，其在系統(tǒng)壓力和先導(dǎo)彈簧的共同作用下可以上下移動，先導(dǎo)彈簧桿向下移動會頂?shù)綄?dǎo)桿,使導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺向下移動,先導(dǎo)彈簧桿向上移動,導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺會自動復(fù)位，在自由狀態(tài)下導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺在最上面。先導(dǎo)凸臺的上下移動可控制R1、R2的啟閉。

圖11 兩向分配器內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面圖Fig.11 The plan view of the internal structure of the two-way allocator

圖12 執(zhí)行組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 The schematic of the internal structure of the actuator

通過調(diào)整先導(dǎo)凸臺的厚度來控制先導(dǎo)凸臺的移動與R1、R2啟閉的對應(yīng)位置，即通過厚度的變化來調(diào)整開啟壓力與關(guān)閉壓力之間的差值。

在裝配時控制先導(dǎo)凸臺的厚度來保證R1、R2不會同時開啟，否則會造成一回路小破口事件[3]。

圖13 兩向分配器與三塊組件的相對位置Fig.13 The relative position of the two-way allocator and the three components

3 兩向分配器的內(nèi)漏

3.1 產(chǎn)生內(nèi)漏缺陷的原因

由于一回路正常運行壓力是156 bar,在事故工況下的壓力甚至?xí)_(dá)到170 bar以上,兩向分配器所需承受的壓力很高,兩向分配器在保證閥芯密封性能方面進(jìn)行了精心設(shè)計，由于兩向分配器閥芯尺寸小(閥芯球體直徑4.5 mm),實際作用面積小,如果兩向分配器密封面或者閥芯上有細(xì)微雜質(zhì)(大于9 μm),此時兩向分配器會產(chǎn)生內(nèi)漏。

3.2 兩向分配器內(nèi)漏的危害

3.2.1 正常運行期間

換料大修定期實驗后，需要用除鹽除氧水對穩(wěn)壓器安全閥組進(jìn)行充水排氣操作，充水排氣的主要目的是防止一回路高溫、帶放射性的介質(zhì)進(jìn)入控制柜部件，同時也可保證控制柜部件、閥體部件、脈沖管線和動力管線內(nèi)部是水實體(無氣泡)，這樣一回路的壓力可以準(zhǔn)確快速得傳遞到控制柜部件并反饋給閥體部件動作。

正常運行時穩(wěn)壓器安全閥組中保護(hù)閥和隔離閥的兩項分配器狀態(tài)是不同的。

其中保護(hù)閥的R1開啟、R2關(guān)閉，此時R2的作用是隔離脈沖管線(與一回路相連)和排泄管線(與大氣相連)，若此時R2存在內(nèi)漏，就會使脈沖管線(與一回路相連)和排泄管線(與大氣相連)連通，此時一回路介質(zhì)的壓力會將之前充水排氣進(jìn)去的除鹽除氧水壓出脈沖管線和控制柜，一旦高溫的一回路介質(zhì)進(jìn)入控制柜部件，就會導(dǎo)致控制柜部件的所有橡膠密封圈失效(控制柜部件的大部分密封組件以橡膠材質(zhì)為主)，此時整個控制柜部件的密封性將喪失，會使一回路產(chǎn)生開口，最終會造成“LOCA”事故，同時由于一回路溫度達(dá)到300 ℃左右，控制柜部件的機械部件無法承受如此高的溫度，這樣部分機械部件會受熱變形而報廢。

隔離閥的R1關(guān)閉、R2開啟，如圖6所示，此時R1的作用也是隔離脈沖管線(與一回路相連)和排泄管線(與大氣相連)，如果隔離閥R1內(nèi)漏，后果會同保護(hù)閥的R2內(nèi)漏一樣，最終導(dǎo)致控制柜部件受熱變形而報廢。

在機組正常運行時，為了減小R1、R2內(nèi)漏造成嚴(yán)重后果的風(fēng)險，主要有如下的幾個在線監(jiān)測方法：

1)在脈沖管線上游設(shè)置了溫度探頭；

2)同時在排泄管線的出口設(shè)置了排水收集箱和液位計。

當(dāng)溫度探頭檢測到脈沖管線水溫升高或達(dá)到一回路溫度，并且排水收集箱的液位計產(chǎn)生高液位報警時就進(jìn)行干預(yù)[4]。

3.2.2 異常工況期間

當(dāng)一回路超壓，保護(hù)閥會自動開啟，開啟過程中是先導(dǎo)彈簧桿下移，推動導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺下移，使R1關(guān)閉，R2開啟，如果R1在關(guān)閉后存在內(nèi)漏，就會使一回路與大氣連通，會造成“LOCA”事故，最終導(dǎo)致控制柜部件受熱變形報廢；

一回路降壓后保護(hù)閥會自動關(guān)閉，關(guān)閉過程中，R1開啟，R2關(guān)閉，如果R2關(guān)閉后存在內(nèi)漏，一方面會使一回路與大氣連通產(chǎn)生小破口，造成LOCA事故，最終導(dǎo)致控制柜部件受熱變形報廢；另一方面也會使保護(hù)閥體部件的活塞上腔無法建立壓力使閥門關(guān)閉，就會發(fā)生保護(hù)閥卡開事故。

如果保護(hù)閥卡開，系統(tǒng)壓力無法穩(wěn)住且會繼續(xù)下降，一回路失壓后隔離閥應(yīng)該會自動關(guān)閉，即R1開啟，R2關(guān)閉，但是如果R2關(guān)閉后存在內(nèi)漏，一方面會使一回路與大氣連通產(chǎn)生小破口，造成LOCA事故，最終導(dǎo)致控制柜部件受熱變形報廢；另一方面也會使閥體部件的活塞上腔無法建立足夠的壓力而使閥體部件無法關(guān)閉，即發(fā)生隔離閥卡開事故，此時保護(hù)閥、隔離閥全部無法關(guān)閉，最終發(fā)生一回路開口事件。

3.3 兩向分配器內(nèi)漏的排查

3.3.1 機組正常運行期間

如果穩(wěn)壓器安全閥組的保護(hù)閥的R1內(nèi)漏或者隔離閥的R2內(nèi)漏都會導(dǎo)致溫度計超溫同時液位計高液位報警，此時需采取緊急措施處理。

3.3.2 閥門動作、性能試驗

安全閥組的動作、性能試驗期間，用電磁閥操作閥門之后，如果發(fā)現(xiàn)排泄管線單次實驗的排水量超過200 mL，且沒有停止，則懷疑對應(yīng)控制柜部件的兩向分配器存在內(nèi)漏。

3.3.3 調(diào)試和大修壓力整定

壓力整定試驗的目的是驗證穩(wěn)壓器安全閥組的動作是否滿足設(shè)計要求，也對兩向分配器的密封性能進(jìn)行檢查，如圖15所示，將脈沖管線從控制柜上拆除，并將壓力整定試驗臺(BEN4)壓力管線連接到控制柜上原連接脈沖管線的接頭處，在試驗臺上連接壓力表T1，通過實驗臺輸出的壓力變化來模擬一回路的壓力變化使控制柜部件動作。然后在閥體部件活塞上腔引出壓力表T2，根據(jù)控制柜部件通過動力管線傳遞到閥體部件活塞上腔的壓力來評價控制柜部件發(fā)出的控制信號是否正確，即穩(wěn)壓器安全閥組的起跳、關(guān)閉定值是否合格。

先用鎖定支架將先彈簧導(dǎo)桿鎖定在當(dāng)前位置(此時R1打開，R2關(guān)閉)，后用BEN4試驗臺升壓至170 bar，試驗臺壓力管線隔離閥，觀察T2的壓力變化，如果壓力下降則檢查閥體部件至控制柜之間是否有泄漏的跡象，及排泄管線出口是否有水滴出，如果部件無泄漏跡象且排泄管線出口有水滴出，則兩向分配器R2存在內(nèi)漏。

解除先導(dǎo)桿的鎖定用試驗臺升壓，整定過程中會得到圖17所示的壓力整定曲線圖，主要分四個階段。(T1相當(dāng)于系統(tǒng)壓力，T2是動力管線傳遞到閥體部件的壓力)

階段一：BEN4試驗臺開始升壓T1、T2同步上升，直至R1關(guān)閉。

階段二：BEN4試驗臺繼續(xù)升壓，T1繼續(xù)上升，T2由于R1已經(jīng)關(guān)閉壓力維持不變，直到R2開啟。R2開啟瞬間，閥體部件活塞上腔通過排泄管線與大氣連通，T2壓力瞬間變?yōu)榇髿鈮骸Ｔ撾A段末對應(yīng)的T1就是閥門的開啟壓力值。

圖14 壓力整定期間連接示意圖Fig.14 The schematic of connections during pressure setting

圖15 BEN4試驗臺Fig.15 The BEN4 test bench

階段三:T1壓力跟隨BEN4試驗臺繼續(xù)升高,至最高點使R2完全開啟。

圖16 壓力整定曲線圖Fig.16 The pressure setting curve

階段四：通過BEN4試驗臺逐漸降壓，此階段T2維持大氣壓，T1逐漸下降，直到突變下降。該階段末對應(yīng)的T1就是閥門的關(guān)閉壓力值。

4 結(jié)束語

本文介紹了壓水堆穩(wěn)壓器安全閥組兩向分配器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)漏缺陷，文中講述的各種觀點、經(jīng)驗和方法，可以給其他核電機組來借鑒和參考。另外，該穩(wěn)壓器安全閥組已經(jīng)應(yīng)用到全世界的很多核電機組上，該設(shè)備的技術(shù)是成熟的，SEBIM公司設(shè)計該閥時在保證其安全功能的同時，也考慮了閥門日常維護(hù)的便利性。同時該類閥門的設(shè)計中集聚了許多國外比較先進(jìn)的技術(shù)，如本文中講述的兩項分配器等，在許多方面都值得國內(nèi)閥門制造廠家借鑒，這將有助于提高國產(chǎn)同類閥門的性能和全球競爭力，同時也有益于推動國內(nèi)核電國產(chǎn)化的進(jìn)程。