核電主蒸汽安全閥泄漏的分析研究

丁 濤，胡 靖

（中國核電工程有限公司華東分公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

核電廠主蒸汽安全閥（亦稱蒸汽發(fā)生器安全閥，簡稱MSSV）安裝在蒸汽發(fā)生器出口，用于蒸汽發(fā)生器二次側和主蒸汽管道提供超壓保護。作為二回路壓力邊界，主蒸汽安全閥的運行可靠性直接影響電廠的穩(wěn)定運行。某核電廠的主蒸汽安全閥安裝在蒸汽發(fā)生器二次側出口的主蒸汽管道上，正常運行時閥門入口壓力為6.8～7.6 MPa（絕壓）（即絕對壓力）、出口壓力為大氣壓，一旦閥門密封不嚴、出現(xiàn)內(nèi)漏情況，可能進一步損傷密封面，閥門泄漏率逐漸增大，而泄漏故障的處理需要停堆，經(jīng)濟損失極大。

1 主蒸汽安全閥介紹

該核電廠主蒸汽安全閥為德國Bopp&Reuther 公司的Si 9507 Type H 型碟簧式安全閥，其整定值ps使得在緊急工況和事故下蒸汽發(fā)生器和主蒸汽管線的最大壓力不會超過其設計壓力的110%。在考慮到主蒸汽管道的壓降、閥門特性和整定值的誤差之后，將整定值分別設為8.7 MPa（絕壓）和8.5 MPa（絕壓）。

每條主蒸汽管線上有7 臺閥門，3 條主蒸汽管線共21 臺閥門。每條管線的安全閥整定值稍有不同，交錯分為兩組：第一組安全閥，每條管線2 臺閥門，整定值為8.5 MPa（絕壓）；第二組安全閥，每條管線5 臺閥門，整定值為8.7 MPa（絕壓）。

該主蒸汽安全閥主要由閥體（包括進出口管嘴）、閥瓣、閥桿、中法蘭下底板、滑動襯套、碟簧和調整彈簧等部分組成，閥門通過碟簧設置整定壓力，彈簧力通過閥桿傳遞給閥瓣，給閥門密封面提供密封力，保證正常運行期間閥門不泄漏。

2 泄漏故障分析

通過統(tǒng)計相同閥門電廠數(shù)據(jù)，分析閥門的泄漏集中出現(xiàn)在7.4～7.7 MPa 的壓力平臺（基本在88%ps～92%ps），并且在后續(xù)解體過程中未發(fā)現(xiàn)泄漏閥門的密封面有明顯缺陷。這種閥門進口壓力低于閥門整定壓力時，閥瓣與閥座密封面間的微小泄漏問題，是典型的安全閥前漏問題。根據(jù)設計要求，主蒸汽安全閥在96%ps 以前不允許出現(xiàn)前漏問題。

閥門的泄漏與很多因素有關，如被密封的流體性質、工作溫度以及密封面的表面狀況、結構形式、材料、內(nèi)外壓差、密封壓力等。本文根據(jù)B&R 安全閥的結構特點，從密封面表面狀況、閥瓣的結構形式兩個方面，與Griss 安全閥進行比較、分析。

2.1 泄漏的基本理論

恒溫氣體泄漏率q1g公式為：

式中 d1——泄漏通道直徑，mm

l——泄漏通道長度，mm

ηg——氣體動力黏度，μPa·s

p1——上游壓力，MPa

p2——下游壓力，MPa

pav——為泄漏通道兩側的壓力平均值，MPa

由式（1）可知，氣體泄漏率與d1的四次方成正比，閥門的密封性受d1的影響非常大。d1為密封面貼合后波峰、波谷形成的通道直徑，與密封面的表面狀況、密封比壓有重要關系，密封比壓使密封副相接觸的凸峰發(fā)生變形而被壓平，使d1減小。

2.2 閥門密封面表面狀況

2.2.1 密封面研磨要求的差別

某核電的1#～4#機組中，Griss 安全閥密封面在研磨無明顯劃痕后，使用9 μm 或6 μm 的砂紙研磨、拋光，確保密封面上沒有任何可見痕跡，密封面為鏡面。并使用干涉光檢測（鈉燈、平晶組合）平面狀況，要求干涉條紋不得超過10 條，即平面度小于3 μm。在實際檢修時，干涉條紋內(nèi)控為5 條，即平面度為1.5 μm。在這個驗收標準下，Griss 安全閥未發(fā)生泄漏問題。

經(jīng)查詢B&R 安全閥的EOMM 手冊并與閥門廠家確認，此閥門的密封面驗收標準為目視檢查，閥瓣上不允許有劃痕；閥座上不允許有較大的劃痕及貫穿性劃痕；密封面內(nèi)圈不允許有點坑，研磨產(chǎn)生的環(huán)狀痕跡、密封面外圈有點坑可以接受。

2.2.2 干涉光檢測的結論

按照廠家的要求對閥門密封面進行研磨，研磨完成后的按照廠家驗收要求進行目視檢查，在滿足廠家相關要求后，再次用干涉光平晶檢測方法再次檢查。密封面出現(xiàn)干涉條紋呈魚鱗狀條紋，密封面研磨效果較差、平面度較差，有進一步提高的空間。

2.3 閥門密封比壓的情況

2.3.1 閥門密封面的密封比壓

閥門密封面上實際作用的密封比壓q1，為密封面上所承受的合力與有效的受力面積的比值：

式中 ps——閥門的整定壓力，MPa

p——介質工作壓力，MPa

D1——閥門密封面外徑，mm

D2——閥門密封面內(nèi)徑，mm

Dm——閥門密封面中徑（即D1和D2的均值），mm

2.3.2 密封面必須密封比壓

為實現(xiàn)密封，在系統(tǒng)壓力下閥門密封面的實際密封比壓必須要大于密封面的必須密封比壓qb。

式中 m——對于空氣、蒸汽等氣體介質以及高于100 ℃的液體，取值為1.4

C——與密封面材料有關的系數(shù)，鋼和硬質合金的取值為3.5

K——在給定密封面材料條件下，考慮介質壓力對比壓值的影響系數(shù)，鋼和硬質合金一般取值為1

b——密封面寬度（即D1和D2的均值），mm

經(jīng)過現(xiàn)場研磨后，可以進行實際測量得到閥門密封面的相關數(shù)據(jù)。由于閥門整定壓力為固定值，密封面內(nèi)徑、外徑、密封面寬度、密封面中徑為每臺閥門的實測數(shù)據(jù)且固定不變，當系統(tǒng)壓力P 發(fā)生變化時，qb和q1同時發(fā)生變化。機組正常運行時，熱停狀態(tài)零功率和滿功率分別對應的二回路壓力約7.4 MPa 和6.8 MPa。對比閥門密封面的q1和qb可以發(fā)現(xiàn)，機組正常運行二回路壓力6.8 MPa 左右時，qb＜q1，閥門密封面能夠完全密封無泄漏；在系統(tǒng)處于0 功率狀態(tài)7.4 MPa 左右時，q1＜qb，閥門密封面可能無法形成完全密封，閥門可能出現(xiàn)前漏現(xiàn)象。

根據(jù)式（2），對于直接作用彈簧式安全閥，在壓力整定值不變的情況下，系統(tǒng)壓力越大實際的密封比壓越小。而同樣的密封面，如果系統(tǒng)介質壓力越大，其所需要的必須密封比壓也就越大。這就導致彈簧式安全閥在系統(tǒng)壓力接近開啟壓力時肯定會出現(xiàn)內(nèi)漏，即所謂為的“前漏”，這種現(xiàn)象是不可避免的。從實際密封比壓和必須密封比壓的計算結果來看，此壓力平臺下密封面上的密封比壓已經(jīng)不足，且已經(jīng)影響到安全閥的可靠密封。

2.4 閥瓣的結構形式

2.4.1 閥瓣結構的差別

（1）閥桿端部采用球形頭，閥桿與閥瓣為線接觸，閥瓣與閥桿之間允許有一個小角度的移動，可以保證閥桿能較好地對準閥瓣中心而不受彈簧偏斜的影響，并確保密封面各方向密封力均衡，有效降低蒸汽管道振動對閥門密封的不利影響。

（2）B&R 安全閥采用平面閥瓣形式，閥桿將彈簧力傳遞給閥瓣的受力點在密封面以上。而Griss 安全閥采用撓性閥瓣形式，閥桿將彈簧力傳遞給閥瓣的受力點在密封面以下。

2.4.2 閥瓣結構對閥門密封的影響

對于撓性閥瓣，閥瓣同閥座的接觸面寬度隨著閥前壓力的減少而增大。在沒有介質壓力的情況下，閥瓣接觸面積增大，能夠避免過大的接觸應力；但在介質壓力升高的過程中，密封壓力逐漸減小，閥瓣密封面會由其外徑對應的面積向其內(nèi)徑對應的面積變化。在這個過程中，密封面的接觸寬度減小，在一定程度上增加了安全閥的密封比壓，從而使閥門前漏點推遲。

隨著壓力的升高，撓性閥瓣的最大接觸壓力由密封面的外側轉移到密封面的內(nèi)側，且內(nèi)側的最大密封面壓力隨著介質壓力的增加而升高。在壓力較高的平臺，撓性閥瓣的最大密封面壓力明顯大于平面閥瓣，其中壓力為7.5 MPa 時，平面閥瓣上的最大接觸壓力為7.8 MPa，而撓性閥瓣上的最大接觸壓力為27.1 MPa。因此，當介質壓力接近ps 大于90%ps 時，撓性閥瓣比平面閥瓣有著更高的接觸壓力，密封性優(yōu)于平面閥瓣。

3 B&R 安全閥的改進情況

通過上述分析，可知B&R 安全閥在密封面的研磨、閥瓣的結構形式方面存在一些不足，并給閥門的正常運行帶來一定不良影響。針對這些不足，提出以下改進建議。

3.1 提高安全閥的研磨要求

僅用目視檢查方式檢查閥門密封面表面質量，受個人經(jīng)驗、能力影響較大，且目視檢查結果誤差較大，難以保證密封面表面質量滿足要求，所以采用合適的檢查手段非常有必要。

目前平行光干涉法是檢查密封表面質量的非常精準的手段。該核電5 號機組二回路水壓后，對主蒸汽安全閥門密封面進行了分階段研磨，并用鈉光燈進行密封面檢測。

（1）第一階段：按照廠家人員經(jīng)驗及閥門密封面研磨要求，使用9 μm 的砂紙完成閥瓣研磨、拋光，目視檢查驗收合格后，使用鈉燈、平晶進行檢查，普遍出現(xiàn)干涉條紋呈數(shù)量密集的魚鱗狀。

（2）第二階段：重新使用9 μm 或5 μm 砂紙進行反復拋光后，能達到4～6 條干涉條紋。

（3）第三階段：使用3 μm 砂紙或研磨膏精研拋光后，可以達到3 條以內(nèi)干涉條紋要求。

該核電廠5 號機組熱態(tài)功能試期間（二回路約7.4 MPa），主蒸汽安全閥運行情況良好，未發(fā)現(xiàn)前漏情況；在主蒸汽閥全閥校驗試驗之后（校驗時系統(tǒng)壓力6.8 MPa），未發(fā)現(xiàn)前漏情況；系統(tǒng)壓力再次上升至7.4 MPa 時，個別閥門在回座后有少量泄漏（可見漂汽現(xiàn)象），運行一段時間后消失。

3.2 改變閥瓣結構形式

從實際運行情況來看，B&R 安全閥采用的平面密封形式在高壓力平臺大概率發(fā)生前漏現(xiàn)象，密封性能不及Griss 安全閥，可以考慮調整為撓性閥瓣形式。建議可以將閥瓣密封面中間位置切削去一部分，加工成類似Griss 安全閥的撓性閥瓣，同時將閥桿與閥瓣的接觸位置調整至位于密封面以下。

4 結論

本文對B&R 安全閥的結構、密封面表面狀況、閥瓣的結構形式角度進行分析，指出導致泄漏的可能因素，并給出后續(xù)的改進建議，未來可以從提高密封面研磨要求、閥瓣結構改變等方面進行改進，以減少閥門前漏的情況，提高閥門運行的可靠性。