鄧 冬,張發(fā)云，趙立彬，呂艷新，石 紅

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

SEBIM安全閥是目前世界上各國核電站中使用的最先進的先導式安全閥，其有著卓越的低壓和超壓保護功能[1]。1979年美國三里島核事故，原因之一就是因為常規(guī)的彈簧式安全閥閥桿起跳后不回座閥芯而引起的堆芯熔化事件。由此，法國SEBIM 安全閥廠家研制生產(chǎn)出SEBIM 安全閥組[2-4]，具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)繁雜、靈敏度高、可靠性高、功能完善的特點[5]。

穩(wěn)壓器是核電站核反應(yīng)堆三大主設(shè)備之一，對核島一回路壓力進行控制并提供低壓和超壓保護的關(guān)鍵設(shè)備。SEBIM安全閥對控制穩(wěn)壓器及一回路的正常運行壓力起關(guān)鍵作用，具有卸壓功能，在RCP系統(tǒng)超壓時將穩(wěn)壓器壓力及時卸壓，保證一回路系統(tǒng)及設(shè)備安全；當RCP系統(tǒng)低壓狀態(tài)時及時保護核島一回路壓力，避免由于系統(tǒng)壓力太低而產(chǎn)生堆芯融化風險[1]。

在我國運行的部分二代加及三代壓水堆核電站機組中，以嶺澳核電站為例，在穩(wěn)壓器上安裝了由2個先導安全閥串聯(lián)安裝組成的安全閥組共計3組，安全閥組實物圖見圖1所示。這兩個先導安全閥是裝在閥組上游的提供卸壓功能的保護安全閥和裝在閥組下游的提供隔離功能的隔離安全閥[6，7]。機組正常運行工況下，保護安全閥呈關(guān)閉狀態(tài)，隔離安全閥呈開啟狀態(tài)[8]。保護安全閥開啟再關(guān)閉失效時，為保護一回路系統(tǒng)正常運行壓力，防止RCP系統(tǒng)進一步卸壓，隔離安全閥自動關(guān)閉[9]。

圖1 安全閥組實物圖Fig.1 Safety valve group installation diagram

RCP系統(tǒng)SEBIM安全閥組及整定壓力見表1。

按照下表2，遷移六通道記錄儀的量程，對應(yīng)六個SEBIM閥閥桿位移信號。

RCP系統(tǒng)3組穩(wěn)壓器安全閥組對應(yīng)的閥桿位移要求和排水量期望值見表3，開啟和關(guān)閉時間要求期望值見表4。

表1 RCP SEBIM安全閥組及整定壓力Table 1 RCP SEBIM safety valve and setting pressure

表2 RCP SEBIM安全閥量程Table 2 RCP SEBIM safety valve range

表3 RCP SEBIM安全閥閥桿位移和排水量Table 3 RCP SEBIM safety valve stem shifting and water discharge

表4 RCP SEBIM安全閥開啟關(guān)閉時間Table 4 RCP SEBIM safety valve opening and closing time

1 SEBIM安全閥結(jié)構(gòu)原理

每個SEBIM安全閥組均由保護安全閥、隔離安全閥、先導閥和控制系統(tǒng)組成[10，11]，保護安全閥和隔離安全閥統(tǒng)稱為主閥，安全閥組結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制系統(tǒng)通過脈沖管線和動力管線與系統(tǒng)和主閥相聯(lián)接，通過脈沖管線探測系統(tǒng)壓力，經(jīng)過先導控制單元和動力管線控制閥頭活塞壓力，用以控制主閥的開啟和回座。

圖2 安全閥組總結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Relief valve group schematic diagram

1.1 主閥結(jié)構(gòu)

構(gòu)成主閥的金屬部件均為不銹鋼材料，主要包括閥體、閥瓣、鰭形筒、閥頭和活塞[12]。閥體內(nèi)含噴嘴閥座，對于保護閥，自由狀態(tài)下閥瓣與閥座密封面之間為閉合狀態(tài)；閥瓣帶有平衡背壓作用的波紋管；鰭形筒為閥桿提供導向，并帶有起散熱作用的翅片；閥頭和鰭形筒共同構(gòu)成閥頭腔體，探測動力管線壓力；活塞隨閥頭壓力變化控制閥桿移動，實現(xiàn)閥門的開啟和回座。主閥的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 安全閥組總構(gòu)圖Fig.3 Main valve schematic diagram

1.2 先導控制閥結(jié)構(gòu)

先導閥在安全閥組中行使壓力敏感和控制元件的作用。具有傳動桿及調(diào)節(jié)開啟壓力的彈簧、彈簧座及彈簧調(diào)節(jié)裝置。在彈簧上部傳動桿上帶有一個先導活塞,活塞腔與設(shè)備用脈沖管連通,活塞的上下移動受一回路內(nèi)的壓力控制。

先導控制閥R1/R2的設(shè)計、制造工藝及工作原理等方面完全相同，可相互替換使用，由于R1和R2分別安裝于控制柜中的不同管路中，賦予不同的功能，所以分別用R1和R2加以區(qū)分，可以簡單將先導閥R1/R2理解為單向球芯可控逆止閥。

先導控制閥R1/R2的特點是控制閥的自由狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，在彈簧彈力的作用下將閥芯壓在閥座上，使控制閥自由狀態(tài)處于關(guān)閉狀態(tài)。此時，如果控制閥的進口存在帶壓的流體，在復位彈簧彈力和液體壓力的雙重力作用下將閥芯緊緊的壓在閥座上，從而使閥門控制閥關(guān)閉得更嚴密。

當控制柜中的控制桿在一回路壓力的驅(qū)動下移動時，固定在其上的控制板觸動并按壓控制閥的觸頭并使之移動，這個位移經(jīng)傳動杠桿推動開啟頂桿，從而使開啟頂桿開始位移，開啟頂桿克服復位彈簧的彈力和液體壓力將閥芯頂離閥座，控制閥則被打開。流體從控制閥的進口流入，經(jīng)進口紊流筒均勻流過已打開的閥座，最后經(jīng)出口紊流孔板流出控制閥出口。

先導控制閥R1/R2主體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 先導控制閥(R1/R2)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Pilot control valve(R1/R2)schematic diagram

2 SEBIM安全閥自主化檢修

我國第一臺商業(yè)運行的大亞灣核電站就已在穩(wěn)壓器安裝使用SEBIM安全閥。最初，SEBIM安全閥的全部維修活動都是由安全閥制造廠家獨立完成的，成本高，響應(yīng)慢，難以滿足核電站機組現(xiàn)場突發(fā)事件的安全性和技術(shù)性要求。為了保障機組運行安全，占據(jù)設(shè)備檢修和維護的主動權(quán)，經(jīng)過不懈努力，核電站實現(xiàn)了SEBIM安全閥檢修的自主化。核電站SEBIM安全閥檢修包括預(yù)防性維修和糾正性維修。

2.1 SEBIM安全閥預(yù)防性維修

SEBIM安全閥的預(yù)防性維修是根據(jù)預(yù)防性維修大綱，按照確定的預(yù)防性維修計劃和維修程序、細則等對安全閥實施維修，一般特指SEBIM安全閥在核電站機組停堆大修期間的預(yù)防性維修工作[14]。SEBIM安全閥的預(yù)防性維修是其正常運行的關(guān)鍵，維修內(nèi)容包括閥門及控制柜的解體檢查、充水排氣、離線壓力整定和在線可用性驗證等試驗[13][15]。

2.2 SEBIM安全閥糾正性維修

SEBIM安全閥的預(yù)防性維修和糾正性維修是相輔相成的，大修期間的預(yù)防性維修質(zhì)量直接決定了設(shè)備的運行質(zhì)量。隨著維修技術(shù)水平和預(yù)防性維修質(zhì)量的不斷提高，SEBIM安全閥在試驗和運行期間的突發(fā)事件逐漸減少，但是設(shè)備自身固有的機械故障不能完全避免，所以糾正性維修是被動的。一般將糾正性維修過程劃分為故障診斷、臨時處理、計劃準備、最終修復和再鑒定試驗等。

穩(wěn)壓器SEBIM安全閥在運行過程中發(fā)生的常見故障包括先導控制閥R1/R2泄漏故障和可用性試驗水耗量超標問題，另外還包括針閥泄漏和控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象等偶發(fā)性故障。

2.2.1 SEBIM先導控制閥R1/R2泄漏故障

根據(jù)故障發(fā)生時先導控制閥R1/R2所處的不同工況，將泄漏故障主要分為壓力標定試驗時發(fā)生泄漏和安全閥開啟動作試驗時發(fā)生的泄漏兩類。

(1)壓力標定試驗時發(fā)生泄漏

泄漏主要集中在進行壓力標定時發(fā)生并使所做記錄的圖形出現(xiàn)偏差，多數(shù)情況可以通過試驗臺的高壓水突然釋放的方法(手動壓按R2達到同時對R1和R2進行沖洗的處理)。

先導控制閥的這種滲漏是由于控制閥的閥芯和閥座的線形密封面上有細小的雜質(zhì)存在所致，說明這種密封形式是比較容易出現(xiàn)輕微泄漏，為了避免細小雜質(zhì)的存在，在過濾罐中特別設(shè)計兩道40μ和9μ的濾網(wǎng)。同時也要極認真對待所有要經(jīng)過R1和R2控制閥的水質(zhì)情況和零部件的清潔情況，以避免這種泄漏，或盡量避免由于這種雜質(zhì)對控制閥密封面的損傷而使R1和R2不可用。

(2)安全閥開啟動作試驗時發(fā)生泄漏

關(guān)于此類泄漏的成因比較復雜，常見的情況與在壓力標定試驗階段所發(fā)生的泄漏情況相同，這種情況也是出現(xiàn)最多的一種故障，不會對控制閥R1和R2的功能產(chǎn)生影響，解決措施也與壓力標定試驗時發(fā)生泄漏相同。另一種情況是由于閥門長期處于開或關(guān)狀態(tài)下，控制閥R1或R2開狀態(tài)造成密封面存在細小雜質(zhì)或極輕微的硼晶所致，這種泄漏多數(shù)集中在隔離閥中，它容易造成R1和R2密封性降低。如果發(fā)生泄漏故障處理不及時，會危及整個控制柜可用性。

(3)先導控制閥泄漏故障處理措施

針對先導控制閥這兩類常見泄漏故障，首先應(yīng)強行開關(guān)閥門數(shù)次，盡量使R1和R2密封面上的異物被沖走，恢復其密封功能；如果處理無效，用特殊方式將控制板旋動，使R1和R2同時關(guān)閉進行密封，以避免汽凝罐內(nèi)水流光，導致高溫水和蒸汽流出而損壞R1和R2以及控制柜其它部件；然后逐一檢查并確保R1和R2的密封性完好的情況下恢復控制板的位置。

在實際開展維修工作過程中，要進行先導控制閥泄漏故障的原因分析，必須首先了解和掌握其工作原理和機械結(jié)構(gòu)，對于壓力標定試驗時發(fā)生泄漏和安全閥開啟動作試驗時發(fā)生的泄漏兩種情況，結(jié)合其在核電廠中實際的運行工況和環(huán)境，進而分析其產(chǎn)生泄漏故障的根本原因并采取相應(yīng)的控制措施。

2.2.2 可用性試驗水耗量超標問題

由于余熱排出系統(tǒng)RRA和化學和容積控制系統(tǒng)RCV可用性試驗中水耗量只是參考標準，耗水量超標問題只在反應(yīng)堆控制系統(tǒng)RCP SEBIM安全閥開啟試驗時發(fā)生，即在RCP系統(tǒng)處于25bar，180℃時工況下需要對穩(wěn)壓器安全閥進行在線動作試驗，在各閥門動作后，從其控制柜排水管口處測得的各耗水量值有時會超出標準值范圍。

(1)水耗量的形成

當保護安全閥關(guān)閉時，R1打開，R2關(guān)閉，從主閥上部到R2之間的管道線路充滿水，通過R1與一回路連通而維持等壓。當實施安全閥動作試驗時，先將R1關(guān)閉，再將R2打開，主閥體活塞室外的壓力卸壓，一回路壓力推動活塞將水排出至集水漏斗，排出的水量稱為閥門開啟時的水耗量[2]。

為保證穩(wěn)壓器安全閥閥組的穩(wěn)定性和可靠性，需定期地對其進行各種檢查和試驗，以驗證各項指標均在技術(shù)規(guī)范要求之內(nèi)，水耗量就是諸多標準之一。

(2)克服水耗量超準的措施

針對穩(wěn)壓器SEBIM安全閥在可用性試驗中水耗量的超標問題，在維修過程中，首先確保注水排氣工具的密封性，避免由于工具問題將空氣帶入管線和主閥活塞室內(nèi)，其次確保反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)REA的水中是否含有大量不溶氣體，注水排氣時要注意REA水質(zhì)的情況，如果呈乳白色則是水中含大量不溶性氣體，進行注水排氣時，應(yīng)嚴格按照維修操作程序進行操作并注意水排情況。

水耗量測試是驗證安全閥在技術(shù)規(guī)范中的各項技術(shù)指標，目的是通過另一種途徑驗證閥門開啟的一種手段。如果安全閥動作時耗水量超出標準，則會對驗證閥門開啟的試驗產(chǎn)生困難。

2.2.3 其他常見故障

先導控制閥內(nèi)漏和水耗量超標問題是影響SEBIM安全閥可用性的重要故障。此外，還有一些較為常見的故障，例如針閥泄漏問題和控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象等。

(1)針閥泄漏

SEBIM安全閥主要用于穩(wěn)壓器超壓保護和一回路壓力保持，但是在核電站內(nèi)其他管路也會少量使用SEBIM安全閥，也會發(fā)生類似的泄漏等故障。對于針閥的泄漏，最初處理方法是緊固針閥，但未能夠解決，然后再安裝加工的絲堵，消除了外漏。解體檢修時發(fā)現(xiàn)針閥作為閥瓣的滾珠已經(jīng)嚴重破裂，經(jīng)分析認為可能的原因為緊固力矩過大，導致滾珠破裂或水質(zhì)不合格，使?jié)L珠產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

針對針閥泄漏問題的經(jīng)驗反饋，防止后續(xù)工作中出現(xiàn)此類共模故障，一是在解體檢修時，首先目視檢查閥門密封面(包括滾珠和針閥座密封面)，在檢查滾珠密封面時，應(yīng)手動滾動滾珠，查看所有的球面，如發(fā)現(xiàn)問題，立即更換；二是安裝針閥時，在針閥滾珠表面薄薄地涂一層潤滑油；三是用超聲波清洗零件后，再用丙酮清洗，去除可能存在的能夠引起應(yīng)力腐蝕的雜質(zhì)元素；最后應(yīng)嚴格控制閥門安裝力矩。

(2)控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象

在安全閥控制柜進行解體檢修后，為驗證控制柜的性能穩(wěn)定，必須進行至少10次(目前一般是30次)的循環(huán)壓力整定，觀察開關(guān)壓差ΔP的穩(wěn)定性。試驗時，有時會發(fā)現(xiàn)ΔP也會隨著試驗次數(shù)的增加而增加，而且不會穩(wěn)定于一個值，甚至在第一次壓力整定就發(fā)現(xiàn)ΔP過大；在進行例行壓力整定時，有時在沒有進行過解體檢修的控制柜上發(fā)現(xiàn)開、關(guān)壓力和上次大修時數(shù)值相差較大。

經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)此類問題的可能原因主要有安裝控制柜探測單元時，各零部件同心度不一致、探測頭活塞底部沉孔和控制桿端頭對中不準確、第一道BAL-SEAL密封性不嚴密、由于磨損，使兩道BAL-SEAL的導向效果較差等。

針對壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象，在控制柜維修過程中使用有效的控制措施，包括利用平板、V型鐵和百分表檢查控制桿和彈簧的直度；檢查確認活塞底部沉孔為圓球面，而不是錐面形狀；檢查確認活塞外表面和套筒內(nèi)表面是否有劃痕，如果有劃痕，則需立即進行更換；安裝活塞前，用控制桿和活塞進行對接，確認結(jié)合和潤滑良好；緊固彈簧機構(gòu)時分多次對角均勻緊固螺栓，用蓋板校驗平行度。

針閥泄漏問題和控制柜開關(guān)壓差ΔP不穩(wěn)定現(xiàn)象是在安全閥檢修過程中發(fā)現(xiàn)的較為典型的故障，針對其檢修的原因分析和處理措施是在檢修實踐和經(jīng)驗反饋中不斷總結(jié)積累的分析和總結(jié)。除此之外，還有為安全閥提供密封功能的密封墊或密封圈發(fā)生的泄漏現(xiàn)象等。

3 結(jié)論

從安全性的角度，SEBIM安全閥具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)繁雜、靈敏度高、可靠性高、功能完善等顯著特點，在核電站穩(wěn)壓器部件的使用有其必要性和不可替代性。SEBIMN安全閥檢修工作的系統(tǒng)化和標準化，建立了經(jīng)驗反饋數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了檢修的自主化并進行了優(yōu)化，為后續(xù)SEBIM安全閥檢修工作打下了良好的基礎(chǔ)。

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