福清4#机组安全阀调试经验解析及对华龙一号参考意义论文_谢宗序1,陈烨璇2

1海盐秦核新能设备检修有限公司 福建福清 350300;

2中国核电工程有限公司 福建福清 350300

摘要:安全阀是核电站最重要的阀门之一,尤其是稳压器安全阀。国内M310堆型稳压器安全阀均为先导式安全阀,本文介绍了先导式安全阀的控制原理,并对福清4#机组调试过程中所遇到的安全阀相关问题进行分析。由于华龙一号稳压器安全阀与M310堆型稳压器安全阀选型不同,本文对福清4#机组安全阀问题在华龙一号的适用性也进行了分析。

关键词:安全阀;先导阀;稳压器;原理;M310;华龙一号;设备选型

1.前言

稳压器安全阀作为反应堆冷却剂系统的超压保护装置,用于在事故工况下对反应堆冷却剂系统的保护、卸压和隔离,是压水堆核电厂最重要的阀门之一,是保证反应堆安全稳定运行的关键设备。稳压器安全阀实际上由3组6台阀门组成,每个阀组由两台独立的先导式安全阀串联而成,与稳压器排放管相连的是保护阀,与保护阀出口相连的是隔离阀。在机组正常运行期间,保护阀关闭,隔离阀开启。在RCP系统超压工况下,安全阀开启将一回路内的压力及时释放,保证系统和设备安全,并在压力恢复正常后重新关闭密封。在保护阀开启之后回座失效时,隔离阀关闭,防止一回路冷却剂过量排放,避免一回路进一步卸压而造成堆芯融化的风险,而且仍然具有超压保护的功能。

先导式安全阀由主阀和先导阀组成,主阀受先导阀的控制。由于先导式安全阀是利用系统自身介质压力来实现主阀自紧式密封,利用灵敏度高的小口径先导阀来控制主阀的开启和关闭,从而避免了弹簧式安全阀在工作原理和结构设计上的局限。先导式安全阀的密封性能更加可靠,开启压力和启闭压差的精度很高,可避免冷却剂的损失和减少放射性废物的排放,另外更容易实现大排量,启闭循环寿命更长,尤其适用于高温高压放射性介质环境。

先导式安全阀在福清的机组中主要用于三个系统:RCP(3组6台)、RRA(2组4台)、RCV(1组1台),均为核岛非常重要的系统。在福清4#机组的调试过程中,我参与的RCP和RRA系统安全阀均出现了不同程度的问题,会在后文中详细展开。

2.M310堆型稳压器安全阀原理分析

国内M310 机组全部采用SEBIM“Cold Solution”稳压器安全阀,下文中以福清4#机组为例来进行说明。

2.1 阀门的组成及原理

SEBIM阀体主要包括阀体、鳍形筒、阀头、活塞、阀杆、波纹管、阀芯、阀座等。阀头接收来自先导箱的压力指示,推动活塞推动阀杆带动阀瓣进行动作,保护阀在普通状态下保持关闭,隔离阀通过电磁阀作用,正常运行期间为开启状态,只在事故工况下关闭。

保护阀与隔离阀最大区别在于:保护阀在无压力情况下阀瓣与阀座密封面是紧贴的,阀门密封力为活塞上部弹簧力;隔离阀阀瓣在无压力情况阀瓣与阀座密封面有大约5mm的间隙,是处于自然开启状态,这5mm间隙来源于隔离阀阀瓣在制造上要比保护阀阀瓣短5mm。隔离阀从关闭到自然开启状态,是通过阀瓣的波纹管收缩实现的。

阀门有两处承受来自系统的压力:第一处为阀瓣下面承受来自系统管道的系统压力;第二处为活塞承受通过先导箱传递过来的系统压力。正常运行时两处压力均为系统压力,及稳压器内一回路水压P。在压力P作用下,活塞得到一个向下的力F1=P×S1(活塞承压面积为S1,约250cm2),并且传递到阀杆上。系统提供相同的压力P到阀瓣上,阀瓣得到一个向上的力F2= P×S2(阀瓣承压面积为S2,约110cm2),阀瓣作用在阀座上的合力为F=F1-F2=P×(S1-S2),阀瓣受到向下的推力,这个推力差即保证阀门的关闭。由于面积差为定值,在系统压力低于阀门关闭压力时,压力越大,推力差越大,阀门关闭力越大;系统压力在阀门关闭压力和开启压力中间时,活塞和系统压力不一致,但推力差仍可保证阀门关闭。

2.2 先导箱的组成及原理

先导箱主要包括过滤筒、整定组件、控制组件、电磁阀和辅助部件。过滤筒有两层过滤网,分别为9μm和40μm过滤网,以保证通过R1和R2的介质颗粒不会堵塞流道。整定组件主要通过调整定值螺母从而调整弹簧力,保证阀门开启和关闭压力在要求的范围内。电磁阀主要保证在特殊工况,阀门需要强制开启时,由主控人员操作使电磁阀带电,强行开启R2进而开启阀门。

电磁阀不带电的情况,正常运行,控制块在R1位置(R1打开,R2关闭),系统压力与阀头相连,此时阀头存在推力差,阀门关闭;当控制块在R2位置(R2打开,R1关闭),系统压力在R1处中断,阀头经R2与大气相同,阀头压力等于大气压,阀瓣受到向上力,顶开阀瓣,阀门开启。

3.福清4#机组安全阀实际调试问题

3.1稳压器安全阀组中隔离阀自然开度不足

问题描述:在进行稳压器安全阀组功能试验的试验条件时,发现三台隔离阀4RCP017VP、4RCP018VP、4RCP019VP开度分别为3.32mm、3.53mm、3.72mm,均小于5mm,不满足开度要求。

问题影响:隔离阀保有一定的自然开度是出于安全性的考虑,在机组正常运行时,保护阀关闭,隔离阀开启,系统超压时顶开保护阀卸压。如果隔离阀自然开度不足,近似于在超压工况时,需要连续顶开两道安全阀才能达到卸压的目的,很大程度上增加了风险,安全阀故障导致不能安全卸压的概率大大提高。

解决方法:1.在与厂家的沟通中,厂家表示由于制作工艺的差异,三台隔离阀的自然开度大于2mm即可,该情况是正常的,但仍需要进行实际验证;2验证自然开度的不足是否对零点造成影响:先依次关闭三台隔离阀,进行零点再校验,发现隔离阀零点无异常,均小于0.7mm;3 隔离阀的自然开度不够本质上是由于波纹管的自然伸缩量不足引起的,应明确隔离阀的波纹管自然伸缩量是可以调整的,即在稳压器建立汽腔之后通过关闭隔离阀,完全开启保护阀,然后开启隔离阀同时10s内关闭保护阀来进行调整,这种调整方法的核心是让隔离阀充分过水受热,让波纹管在最大限度内进行压缩和释放,同时由于金属的热胀冷缩,波纹管的伸缩量会变大,即自然开度最后会变大,接近5mm。最后关闭隔离阀使隔离阀的波纹管恢复自然伸缩状态。

3.2 RRA安全阀在启泵初期漏水

问题描述:在启动4RRA001PO给系统升压时,RRA先导式安全阀下游管道有水流出,大约5分钟后停止。

问题影响:RRA系统安全阀应该在达到开启压力后才会开始卸压,如果在升压初期安全阀就开启,则系统边界丧失,安全阀的超压保护功能也没有意义。

解决方法:由于5分钟后水流即停止,判断应该不是安全阀内漏。在启泵升压初期出现漏水,很可能是安全阀控制管线压力传递有延迟,导致主阀腔的压力大于阀头压力而异常开启,而导致压力传递延缓的原因是控制管线和脉冲管线的充水排气不充分。

根据分析结论,对RRA两组先导式安全阀的脉冲和控制管线再次进行了充水排气,再次启泵升压时,下游管线无泄漏,证明以上分析是成立的。

4.华龙一号与M310稳压器安全阀选型的不同

4.1福5、6机组选型

福5、6机组稳压器安全阀选型为热态方案(国内M310堆型均为SEBIM的冷态方案),在热态方案中保护阀和隔离阀主阀为一体化锻造,先导阀采用紧凑型设计,直接安装在主阀上,如下图。

冷态方案的稳压器安全阀只适用于150℃以下的液体介质,在主阀和先导阀上游均有温度探头,当温度超过90℃时触发报警,温度继续升高到150℃时,必须解体更换橡胶密封件,否则阀门功能失效。而热态方案的稳压器安全阀阀组和先导阀的垫片由橡胶材质变成了石墨和金属波纹管,能够适用于纯饱和蒸汽、纯液体或汽液两相流共存的工况。

与冷态方案相比,热态方案的辅助部件减少了先导箱固定托架、冷凝罐、平衡罐及Banjo接头,专用工具则不需要注水装置、真空泵,压力整定试验台也从BEAN4试验台优化为迷你试验箱,整定弹簧锁定功能则由一根螺杆完成。

对于调试工作而言,两种稳压器安全阀在调试期间都需要进行压力整定工作。冷态方案在压力整定完成后或系统管线排空后重启前,都需要进行充水排气,防止各附属管线内残余空气,影响阀门动作的准确性和动作时间。热态方案则不需要。

由于热态方案阀组采用一体化锻造,阀体内置了很多流道;先导阀小型化,紧凑安装在主阀上,而且要保证先导阀功能正常,必须确保上部三通阀和下部三通阀的密封可靠,动作正确,因此设计水平和加工难度比冷态方案更大。

4.2 前述M310堆型安全阀问题解决方案在华龙一号中的适用性

对于隔离阀自然开度不足问题而言,在华龙一号稳压器安全阀热态方案中仍可能存在,在自然开度不足情况下,前文中提到的验证方案和解决办法仍然适用,在华龙一号稳压器安全阀的调试工作中仍然实际的参考意义。

对于安全阀控制管线和脉冲管线充水排气不充分导致的压力传导缓慢问题,由于华龙一号稳压器安全阀采用热态方案紧凑型设计,该问题基本不会出现,但在其它系统的安全阀中仍可能出现,这是个非常共性的问题,但很多时候由于下游管线完整并不容易发现,应引起注意。

5.结语

稳压器安全阀是压水堆核电厂中最重要的阀门之一,虽然后续三代机型华龙一号对于稳压器安全阀提出了更高的要求,改型采用了热态方案,但在M310堆型稳压器安全阀冷态方案中的调试经验仍然很大程度上适用于华龙一号,顾以此文抛砖引玉,望在后续安全阀调试工作中能作为参考。

论文作者:谢宗序1,陈烨璇2

论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期

论文发表时间:2018/5/16

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