劉 強(qiáng)，尚憲和

(中核核電運(yùn)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(jī)械故障，最主要的機(jī)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(shí)，閥門由于故障未能自動(dòng)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(jī)組的穩(wěn)壓器安全閥使用的是法國(guó)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(jī)型的穩(wěn)壓器SEBIM安全閥，共設(shè)置了3組SEBIM閥，每個(gè)閥組由串聯(lián)安裝的2臺(tái)閥門組成，上游閥門稱為安全閥，具有泄壓功能，3個(gè)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(gè)隔離閥整定值相同。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)閥關(guān)閉、隔離閥開啟，如果保護(hù)閥開啟之后無(wú)法回座時(shí)，隔離閥會(huì)在系統(tǒng)壓力降至138 bar時(shí)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(dòng)作原理

圖2 先導(dǎo)式安全閥動(dòng)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(lái)實(shí)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(jì)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(huì)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(shí)，閥頭通過(guò)控制柜泄壓，此時(shí)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(dòng)作是通過(guò)控制柜來(lái)實(shí)現(xiàn)的，控制柜的整定壓力又是如何產(chǎn)生的呢？?jī)上蚍峙淦?R1或R2)是穩(wěn)壓器安全閥組的核心部件，閥組的動(dòng)作和功能都是通過(guò)R1、R2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖3 先導(dǎo)式安全閥動(dòng)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(guò)過(guò)濾器去R1，另外一路不經(jīng)過(guò)過(guò)濾直接去控制柜的控制活塞。讓我們做如下計(jì)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(shí)，控制桿處于上限位置，頂起R1，R1打開。這時(shí)系統(tǒng)壓力P通過(guò)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(lái)壓力，此時(shí)閥頭依然維持R1關(guān)閉瞬間時(shí)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(shí)，控制桿達(dá)到R2，R2打開，閥頭壓力通過(guò)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(shí)，控制桿離開R2，此時(shí)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(shí)，控制桿達(dá)到R1，R1開啟，系統(tǒng)壓力P又通過(guò)R1，進(jìn)入閥頭，閥門關(guān)閉，至此，閥門完成一個(gè)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(jiǎn)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(jī)構(gòu)安裝兩個(gè)兩向分配器(R1和R2)，R1和R2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)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(wú)需對(duì)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(shí)物，進(jìn)行測(cè)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(guò)內(nèi)部閥芯的動(dòng)作來(lái)控制進(jìn)出口流道之間的通、斷；執(zhí)行組件是通過(guò)杠桿機(jī)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(dòng)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(guò)過(guò)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(lái)密封性比金屬材質(zhì)的閥芯更好，另外硬度和強(qiáng)度也更好；執(zhí)行組件的動(dòng)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(duì)閥芯的作用方向正好相反(相對(duì))，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(lái)源，高壓密封性則是通過(guò)一回路的高壓介質(zhì)來(lái)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(guò)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(dòng)可以通過(guò)支點(diǎn)直接傳遞到頂針上，使其頂針左右移動(dòng)，如圖13所示。

2.2 兩相分配器功能的實(shí)現(xiàn)

兩向分配器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理是一樣的，但是同一個(gè)閥門中的兩個(gè)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(duì)，先導(dǎo)凸臺(tái)位于R1和R2的頂塊之間，導(dǎo)桿與先導(dǎo)凸臺(tái)剛性連接,導(dǎo)桿的上下移動(dòng)能帶動(dòng)先導(dǎo)凸臺(tái)一起上下移動(dòng)來(lái)控制R1、R2的動(dòng)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(dòng)，先導(dǎo)彈簧桿向下移動(dòng)會(huì)頂?shù)綄?dǎo)桿,使導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺(tái)向下移動(dòng),先導(dǎo)彈簧桿向上移動(dòng),導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺(tái)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，在自由狀態(tài)下導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺(tái)在最上面。先導(dǎo)凸臺(tái)的上下移動(dòng)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(guò)調(diào)整先導(dǎo)凸臺(tái)的厚度來(lái)控制先導(dǎo)凸臺(tái)的移動(dòng)與R1、R2啟閉的對(duì)應(yīng)位置，即通過(guò)厚度的變化來(lái)調(diào)整開啟壓力與關(guān)閉壓力之間的差值。

在裝配時(shí)控制先導(dǎo)凸臺(tái)的厚度來(lái)保證R1、R2不會(huì)同時(shí)開啟，否則會(huì)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(duì)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(yùn)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(jì)，由于兩向分配器閥芯尺寸小(閥芯球體直徑4.5 mm),實(shí)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(shí)兩向分配器會(huì)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(yùn)行期間

換料大修定期實(shí)驗(yàn)后，需要用除鹽除氧水對(duì)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(shí)也可保證控制柜部件、閥體部件、脈沖管線和動(dòng)力管線內(nèi)部是水實(shí)體(無(wú)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(dòng)作。

正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)壓器安全閥組中保護(hù)閥和隔離閥的兩項(xiàng)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(shí)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(shí)R2存在內(nèi)漏，就會(huì)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(shí)一回路介質(zhì)的壓力會(huì)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(huì)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(shí)整個(gè)控制柜部件的密封性將喪失，會(huì)使一回路產(chǎn)生開口，最終會(huì)造成“LOCA”事故，同時(shí)由于一回路溫度達(dá)到300 ℃左右，控制柜部件的機(jī)械部件無(wú)法承受如此高的溫度，這樣部分機(jī)械部件會(huì)受熱變形而報(bào)廢。

隔離閥的R1關(guān)閉、R2開啟，如圖6所示，此時(shí)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(huì)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(bào)廢。

在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，為了減小R1、R2內(nèi)漏造成嚴(yán)重后果的風(fēng)險(xiǎn)，主要有如下的幾個(gè)在線監(jiān)測(cè)方法：

1)在脈沖管線上游設(shè)置了溫度探頭；

2)同時(shí)在排泄管線的出口設(shè)置了排水收集箱和液位計(jì)。

當(dāng)溫度探頭檢測(cè)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(jì)產(chǎn)生高液位報(bào)警時(shí)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(huì)自動(dòng)開啟，開啟過(guò)程中是先導(dǎo)彈簧桿下移，推動(dòng)導(dǎo)桿和先導(dǎo)凸臺(tái)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(huì)使一回路與大氣連通，會(huì)造成“LOCA”事故，最終導(dǎo)致控制柜部件受熱變形報(bào)廢；

一回路降壓后保護(hù)閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，關(guān)閉過(guò)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(huì)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(bào)廢；另一方面也會(huì)使保護(hù)閥體部件的活塞上腔無(wú)法建立壓力使閥門關(guān)閉，就會(huì)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(wú)法穩(wěn)住且會(huì)繼續(xù)下降，一回路失壓后隔離閥應(yīng)該會(huì)自動(dòng)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(huì)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(bào)廢；另一方面也會(huì)使閥體部件的活塞上腔無(wú)法建立足夠的壓力而使閥體部件無(wú)法關(guān)閉，即發(fā)生隔離閥卡開事故，此時(shí)保護(hù)閥、隔離閥全部無(wú)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(jī)組正常運(yùn)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(huì)導(dǎo)致溫度計(jì)超溫同時(shí)液位計(jì)高液位報(bào)警，此時(shí)需采取緊急措施處理。

3.3.2 閥門動(dòng)作、性能試驗(yàn)

安全閥組的動(dòng)作、性能試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的排水量超過(guò)200 mL，且沒(méi)有停止，則懷疑對(duì)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(yàn)的目的是驗(yàn)證穩(wěn)壓器安全閥組的動(dòng)作是否滿足設(shè)計(jì)要求，也對(duì)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(yàn)臺(tái)(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(yàn)臺(tái)上連接壓力表T1，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出的壓力變化來(lái)模擬一回路的壓力變化使控制柜部件動(dòng)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(guò)動(dòng)力管線傳遞到閥體部件活塞上腔的壓力來(lái)評(píng)價(jià)控制柜部件發(fā)出的控制信號(hào)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(shí)R1打開，R2關(guān)閉)，后用BEN4試驗(yàn)臺(tái)升壓至170 bar，試驗(yàn)臺(tái)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(wú)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(yàn)臺(tái)升壓，整定過(guò)程中會(huì)得到圖17所示的壓力整定曲線圖，主要分四個(gè)階段。(T1相當(dāng)于系統(tǒng)壓力，T2是動(dòng)力管線傳遞到閥體部件的壓力)

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

階段二：BEN4試驗(yàn)臺(tái)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(guò)排泄管線與大氣連通，T2壓力瞬間變?yōu)榇髿鈮?。該階段末對(duì)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(yàn)臺(tái)Fig.15 The BEN4 test bench

階段三:T1壓力跟隨BEN4試驗(yàn)臺(tái)繼續(xù)升高,至最高點(diǎn)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(guò)BEN4試驗(yàn)臺(tái)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(duì)應(yīng)的T1就是閥門的關(guān)閉壓力值。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)、經(jīng)驗(yàn)和方法，可以給其他核電機(jī)組來(lái)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(jī)組上，該設(shè)備的技術(shù)是成熟的，SEBIM公司設(shè)計(jì)該閥時(shí)在保證其安全功能的同時(shí)，也考慮了閥門日常維護(hù)的便利性。同時(shí)該類閥門的設(shè)計(jì)中集聚了許多國(guó)外比較先進(jìn)的技術(shù)，如本文中講述的兩項(xiàng)分配器等，在許多方面都值得國(guó)內(nèi)閥門制造廠家借鑒，這將有助于提高國(guó)產(chǎn)同類閥門的性能和全球競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也有益于推動(dòng)國(guó)內(nèi)核電國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。