朱鋼梁+楊宇+常婷

【摘 要】本文結(jié)合參考電廠主蒸汽安全閥運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，分析闡述了我廠主蒸汽安全閥改進(jìn)原因及改進(jìn)內(nèi)容，通過(guò)描述技術(shù)改進(jìn)后對(duì)運(yùn)行的影響，為某核電廠機(jī)組在主蒸汽安全閥技術(shù)改造后能安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】主蒸汽安全閥；運(yùn)行反饋；故障分析；運(yùn)行影響

0 概述

作為核電廠核安全二級(jí)設(shè)備，主蒸汽安全閥除了為蒸汽發(fā)生器和主蒸汽管線提供超壓保護(hù)，還承擔(dān)在Ⅲ類工況或Ⅳ類工況或Ⅱ類工況（如緊急停堆），在汽機(jī)旁路排放不能利用時(shí)，通過(guò)排除反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)產(chǎn)生的能量來(lái)防止一回路側(cè)超壓和過(guò)熱，以及通過(guò)限制蒸汽釋放的數(shù)量和速率來(lái)防止堆芯過(guò)冷的功能。

1 參考電站主蒸汽安全閥運(yùn)行反饋及故障分析

參考電站主蒸汽安全閥采購(gòu)的是法國(guó)的彈簧式安全閥，共計(jì)28臺(tái)，采用3+4的形式，即每條管線布置3臺(tái)助動(dòng)彈簧安全閥和4臺(tái)機(jī)械彈簧安全閥。根據(jù)調(diào)試和運(yùn)行維修的經(jīng)驗(yàn)反饋，這些安全閥在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題和故障，這些運(yùn)行故障在法國(guó)核電站的初期運(yùn)行中也同樣出現(xiàn)過(guò)。下面就對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行匯總和分析：

1）法國(guó)同類核電站的主蒸汽安全閥在運(yùn)行初期，多次出現(xiàn)過(guò)閥門(mén)誤開(kāi)啟從而引起反應(yīng)堆停堆的事故，經(jīng)分析主要原因是由于助動(dòng)式安全閥控制箱的電氣元器件故障導(dǎo)致控制回路失效或誤動(dòng)作而引起的。根據(jù)這一外部經(jīng)驗(yàn)反饋，為保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，參考電廠主蒸汽安全閥的助動(dòng)裝置一直未投入使用（未與控制箱連接）。同時(shí)，為了提高閥門(mén)開(kāi)啟前的泄漏壓力，保證閥門(mén)在熱停堆工況下的密封性，運(yùn)行部門(mén)在規(guī)程上將助動(dòng)式主蒸汽安全閥的整定壓力設(shè)置為上限，即（8.3+0.1）MPa.a。

2）在參考電站調(diào)試期間以及2002年6月，主蒸汽安全閥1VVP104VV兩次在7.67 MPa.a壓力下起跳，但事后維修檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，閥門(mén)的整定值并無(wú)異常；分析認(rèn)為，主要原因是該閥門(mén)的助動(dòng)裝置未投用，其整定值接近熱停堆工況下的蒸汽發(fā)生器二次側(cè)設(shè)計(jì)壓力，不滿足10%的冗余度要求。在熱停堆工況下，系統(tǒng)壓力峰值瞬間超過(guò)閥門(mén)整定值，導(dǎo)致安全閥意外開(kāi)啟。

3）參考電站101大修熱停堆工況下一臺(tái)主蒸汽安全閥回座異常造成大量泄漏， 被迫冷停堆處理， 解體后發(fā)現(xiàn)閥芯密封線偏離正常位置5mm。經(jīng)分析，主要原因是閥門(mén)起跳后，大量蒸汽排放形成的振動(dòng)使閥芯偏離中心線，造成彈簧的密封力不能平均分布在密封面上，導(dǎo)致密封不嚴(yán)而泄漏。

4）參考電站102大修熱停堆工況下兩臺(tái)主蒸汽安全閥出現(xiàn)輕微泄漏， 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)處理后泄漏消除。經(jīng)分析，原因有三點(diǎn)：一是，整定壓力為8.3MPa.a的安全閥開(kāi)啟前密封壓力只有整定壓力的92%，由于未投用助動(dòng)裝置，僅靠彈簧提供的密封壓力偏低，容易泄漏；二是，同一管線下游不遠(yuǎn)的主蒸汽隔離閥長(zhǎng)期振動(dòng)超標(biāo)，也容易造成安全閥閥座密封面不能很好的接觸，導(dǎo)致泄漏；三是，熱停堆工況下主蒸汽系統(tǒng)壓力波動(dòng)較大，超過(guò)安全閥的最低密封壓力，導(dǎo)致泄漏。

5）參考電站102大修中發(fā)現(xiàn)4臺(tái)主蒸汽安全閥閥內(nèi)件由于振動(dòng)發(fā)生損傷， 其中2臺(tái)損傷嚴(yán)重。出現(xiàn)這種情況，主要原因不外以下兩點(diǎn)：一是，主蒸汽隔離閥長(zhǎng)期振動(dòng)超標(biāo)，導(dǎo)致安全閥的密封面振動(dòng)而損傷；二是，安全閥長(zhǎng)期輕微泄漏導(dǎo)致密封面損壞。

6）閥門(mén)是否開(kāi)啟沒(méi)有信號(hào)顯示，操縱員無(wú)法判定閥門(mén)所處的狀態(tài)[1]。

2 某核電廠主蒸汽安全閥的技術(shù)改進(jìn)

參考電站主蒸汽安全閥在調(diào)試和運(yùn)行維修中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，提供了大量的反饋經(jīng)驗(yàn)。從收集到的故障情況分析，主要故障集中在整定壓力為8.3MPa.a的助動(dòng)式安全閥上。因此，為避免出現(xiàn)參考電站主蒸汽安全閥同樣的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)施改進(jìn)。

2.1 采用彈簧式加載式安全閥

從法國(guó)核電站得到的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，助動(dòng)裝置和配套控制柜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差，其由個(gè)別元器件故障引起的這套裝置的意外動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致安全閥誤開(kāi)啟，這是工藝性的，可能會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器失控排放，從而引起反應(yīng)堆停堆和過(guò)冷。因此取消了助動(dòng)裝置和配套控制柜，改為采用彈簧加載式安全閥，從而避免了電氣元器件故障引起安全閥誤開(kāi)啟從而導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆和過(guò)冷的事故發(fā)生。

2.2 主蒸汽安全閥的整定值和數(shù)量重新分布

由于參考電站助動(dòng)安全閥的整定壓力只有8.3MPa，而且助動(dòng)裝置未投入使用，與熱停堆壓力之間的差距過(guò)小，不滿足10%冗余的設(shè)計(jì)規(guī)范，容易引起閥門(mén)正常運(yùn)行時(shí)的漏氣現(xiàn)象；從而增加正常運(yùn)行總的維修量，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，降低機(jī)組的可利用率。因此，某核電廠將每條蒸汽管線上的7臺(tái)主蒸汽安全閥的整定值和數(shù)量重新分布，仍按照整定值分為兩組，第一組安全閥起跳整定值由原來(lái)的8.3MPa提高到8.5MPa，數(shù)量由3臺(tái)減少為2臺(tái)，第二組安全閥起跳整定值不變，仍是8.7MPa，數(shù)量則由4臺(tái)增加為5臺(tái)；在這一改進(jìn)中，由于第一組安全閥不參與Ⅱ類事故下蒸汽發(fā)生器的超壓保護(hù)功能，同時(shí)其整定值遠(yuǎn)離熱停堆壓力（冗余度達(dá)到12%），使得這組安全閥的動(dòng)作次數(shù)大大降低，減少了閥門(mén)頻繁起跳和泄漏引起的密封面損傷[2]。

2.3 改進(jìn)安全閥閥芯組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相對(duì)于參考電站的設(shè)計(jì)，此次某核電廠設(shè)計(jì)使用的閥芯組件有較大改進(jìn)，主要包括兩個(gè)方面：一是，閥桿與閥芯的聯(lián)結(jié)以及作用點(diǎn)的變化。參考電站設(shè)計(jì)中閥桿端部帶有螺紋與閥芯上部組件聯(lián)結(jié)，閥桿與閥芯不直接聯(lián)結(jié)，閥芯由銷固定在反沖盤(pán)上，閥桿端部的作用點(diǎn)位置處在噴嘴密封面以上。某核電廠的主蒸汽安全閥閥芯和閥桿的聯(lián)結(jié)為“卡套”式聯(lián)結(jié)，在裝配狀態(tài)下，閥芯可以水平自由轉(zhuǎn)動(dòng)并允許有一定的傾斜；閥桿端部為半球狀，閥芯內(nèi)腔與閥桿接觸面為內(nèi)球面，其觸點(diǎn)低于噴嘴密封面。這種設(shè)計(jì)有利于閥芯自動(dòng)找正，可以保證閥桿的軸線與噴嘴環(huán)的中心線重合，確保密封面各方向的密封力均衡，有效降低蒸汽管道振動(dòng)對(duì)安全閥的損傷。二是，閥芯機(jī)構(gòu)和密封形式的變化。參考電站安全閥閥芯與噴嘴環(huán)的密封是“平面密封”，在閥門(mén)頻繁動(dòng)作和管道振動(dòng)較大時(shí)，密封面容易損傷導(dǎo)致泄漏。某核電廠的主蒸汽安全閥閥芯與噴嘴接觸部分為金屬?gòu)椥悦芊饷?，金屬?gòu)椥悦芊饷骐S著管道壓力和溫度的變化而變化，在達(dá)到閥門(mén)開(kāi)啟前最大密封壓力前密封面始終保持“線密封”的形式，密封性能更好。應(yīng)用這種新結(jié)構(gòu)后，閥門(mén)開(kāi)啟前的密封壓力可以達(dá)到整定值的96%，大大降低由于系統(tǒng)壓力波動(dòng)引起的閥門(mén)泄漏。在系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)低于整定壓力的96%時(shí)，閥芯與噴嘴為線密封，密封線在閥芯的外沿；當(dāng)系統(tǒng)壓力極其接近或等于整定壓力的96%時(shí)，閥芯在壓力的作用下膨脹，此時(shí)與噴嘴為面接觸；當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)整定壓力的96%直到閥門(mén)開(kāi)啟階段，閥芯在壓力的作用下繼續(xù)膨脹，此時(shí)與噴嘴的接觸又變成線密封，但密封線改成閥芯的內(nèi)沿了；當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟后，由于壓力泄放，閥芯又恢復(fù)正常狀態(tài)[2]。

2.4 主蒸汽安全閥開(kāi)啟探測(cè)裝置

參考電站設(shè)計(jì)考慮安全閥的開(kāi)啟是瞬間動(dòng)作，動(dòng)作完成后系統(tǒng)壓力會(huì)有較大波動(dòng)，主控通過(guò)監(jiān)測(cè)即可確定系統(tǒng)超壓保護(hù)是否有效，而沒(méi)有考慮每組安全閥的整定值設(shè)置比較接近，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)無(wú)法確定是哪一臺(tái)閥門(mén)動(dòng)作，從而無(wú)法確定哪臺(tái)閥門(mén)需要檢修，增加了運(yùn)行與檢修人員的判斷時(shí)間和檢修工作量。因此，某核電廠的主蒸汽安全閥對(duì)此加以改進(jìn)，增加閥門(mén)開(kāi)啟探測(cè)裝置。當(dāng)安全閥的起跳高度達(dá)到1-2mm，該動(dòng)作即可被探測(cè)到，但該信號(hào)僅能保持0.3秒的時(shí)間，需要高精度的信號(hào)接收設(shè)備來(lái)記錄。

2.5 某核電廠的主蒸汽安全閥采用改進(jìn)的閥芯組件設(shè)計(jì)

使得閥門(mén)的開(kāi)啟和回座時(shí)間更短（達(dá)到80ms和250ms），開(kāi)啟前的密封壓力更高（達(dá)到整定壓力的96%而不泄漏）。

3 某核電廠主蒸汽安全閥技術(shù)改進(jìn)對(duì)運(yùn)行的影響

3.1 增加閥門(mén)探測(cè)開(kāi)啟裝置的影響

當(dāng)一條主蒸汽管道上的任一個(gè)閥門(mén)處于非全關(guān)狀態(tài)時(shí)就會(huì)在主控室報(bào)警，便于主控室操縱員監(jiān)測(cè)任何一個(gè)閥門(mén)狀態(tài)及開(kāi)啟次數(shù)。

3.2 對(duì)汽機(jī)旁路系統(tǒng)GCT的影響

由于在Ⅱ類瞬態(tài)工況下，保護(hù)蒸汽發(fā)生器壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)壓力改為由GCT-C和GCT-A來(lái)保證，因此對(duì)GCT的邏輯改造及可靠性的提高進(jìn)行了較大的改動(dòng)。

3.2.1 GCT-A的改進(jìn)對(duì)運(yùn)行的影響

對(duì)于GCT-A采取的措施為提高系統(tǒng)儀控部分的鑒定等級(jí)為K3。對(duì)運(yùn)行來(lái)說(shuō)，影響不大。

3.2.2 GCT-C的改進(jìn)對(duì)運(yùn)行的影響

1）提升甩負(fù)荷時(shí)GCT-C解鎖信號(hào)的可靠性，也就是說(shuō)，GCT-c從非核級(jí)系統(tǒng)更改為核級(jí)系統(tǒng)。

2）更改GCT-c的控制邏輯：在汽機(jī)跳閘后即產(chǎn)生C7A信號(hào)，允許第1、2組閥的開(kāi)啟；在核功率大于P16時(shí)，汽機(jī)跳閘即產(chǎn)生C7B信號(hào)，允許第三組的開(kāi)啟。這樣可以改進(jìn)停機(jī)不停堆工況下GCT-c回路的響應(yīng)速度，防止VVP安全閥的開(kāi)啟。

3）C9非信號(hào)的修改

在參考電廠的設(shè)計(jì)中，在下列任何一個(gè)信號(hào)觸發(fā)后將發(fā)出凝汽器不可用信號(hào)：

A.凝汽器壓力大于47KPa.a（2/3邏輯）；

B.在GCT125或127VL接受到開(kāi)啟指令20s后，GCT125與127VL下游噴淋水壓力均低于0.68MPa。

在某核電廠將其修正為在下列任何一個(gè)信號(hào)觸發(fā)后將發(fā)出凝汽器不可用信號(hào)：

A.凝汽器壓力大于47KPa.a（2/3邏輯）；

B.在GCT125VL或GCT127VL接受到開(kāi)啟指令15s后，下游噴淋水壓力低于0.68MPa（2/3邏輯）延時(shí)10S，二者相與后再延時(shí)12s產(chǎn)生。

4）增加了凝汽器故障信號(hào)

在以下信號(hào)之一發(fā)出時(shí)，將觸發(fā)冷凝器故障信號(hào)

A.凝汽器壓力大于32KPa.a（2/3）；

B.在GCT125VL或GCT127VL接受到開(kāi)啟指令15s后，下游噴淋水壓力低于0.68MPa（2/3邏輯）延時(shí)10S兩者相與后產(chǎn)生。

5）GCT-C排凝汽器不可用信號(hào)的修改

在參考電站的設(shè)計(jì)中，GCT-c排凝汽器不可用信號(hào)由以下三部分組成（或門(mén)）：

A.一回路平均溫度與平均溫度整定值偏差小于1.75℃；

B.GCT-c的相應(yīng)系列至少一個(gè)手動(dòng)隔離閥沒(méi)有全開(kāi)；

C.存在第1、2組GCT-c調(diào)節(jié)閥的閉鎖信號(hào)或甩負(fù)荷大于50%時(shí)第3組閥存在閉鎖信號(hào)。

在某核電廠將其修改為：

A.一回路平均溫度與平均溫度整定值偏差小于1.75℃；

B.GCT-c的相應(yīng)系列至少一個(gè)手動(dòng)隔離閥沒(méi)有全開(kāi)C.P模式下，一、二回路溫差大于6℃。

3.2.3 RPR邏輯的修改對(duì)運(yùn)行的影響

在參考電廠的RPR邏輯中，汽機(jī)跳閘引起的自動(dòng)停堆邏輯為：

1）當(dāng)功率P<30%Pn（P16）時(shí)，汽機(jī)跳閘不引起自動(dòng)停堆。

2）若P>30%Pn（P16）時(shí)，汽機(jī)跳閘后按照以下方式觸發(fā)自動(dòng)停堆：

A.如果存在冷凝器不可用信號(hào)，則自動(dòng)停堆；

B.否則在延時(shí)1秒后如果存在GCT不可用信號(hào)的話，也引發(fā)自動(dòng)停堆。

3）其他情況下，汽機(jī)跳閘均不引起自動(dòng)停堆。

在某核電廠機(jī)組汽機(jī)跳閘引起的自動(dòng)停堆信號(hào)為：

（1）當(dāng)功率P

（2）當(dāng)P>P10時(shí)，出現(xiàn)下述條件之一時(shí)，汽機(jī)跳閘立即引起自動(dòng)停堆：Tavg低-低信號(hào)（P12）、GCT排放閥手動(dòng)閉鎖、冷凝器不可用（C9非信號(hào)）或冷凝器故障信號(hào)。

（3）若P>30%Pn時(shí)，出現(xiàn)GCT凝汽器不可用時(shí)，汽機(jī)跳閘延時(shí)1秒立即引起自動(dòng)停堆。此次邏輯修改，降低了汽機(jī)跳機(jī)導(dǎo)致停堆的門(mén)檻。

4 結(jié)論

某核電廠主蒸汽安全閥取消助動(dòng)裝置，采用兩組不同整定壓力的彈簧加載式安全閥，這樣的改進(jìn)避免了助動(dòng)裝置故障導(dǎo)致安全閥誤開(kāi)啟事故的發(fā)生，大大降低由誤開(kāi)啟引起的反應(yīng)堆停堆的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)措施的應(yīng)用，減少了熱停堆工況安全閥泄漏的幾率，從而減少了由于泄漏引起的檢修工作量，提高了機(jī)組的穩(wěn)定性和可利用率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]更換主蒸汽系統(tǒng)加能助動(dòng)式安全閥工程實(shí)施報(bào)告[R].中國(guó)核電工程有限公司.

[2]唐越強(qiáng).秦山第二核電廠主蒸汽安全閥設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)[J].

[責(zé)任編輯：田吉捷]