白 帆，車(chē)銀輝

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215026）

0 引言

某核集團(tuán)多個(gè)核電廠RRI（設(shè)備冷卻水）系統(tǒng)定期切換和定期試驗(yàn)期間，在小流量工況下啟動(dòng)RRI 泵時(shí)，下游的EAS（安全殼噴淋系統(tǒng)）換熱器安全閥（即RRI887/888VN 安全閥）頻繁發(fā)生起跳現(xiàn)象。該問(wèn)題已困擾電廠多年，如果安全閥起跳后不回座就會(huì)導(dǎo)致RRI 系統(tǒng)失效、核島設(shè)備無(wú)法有效冷卻，造成核安全風(fēng)險(xiǎn)。

該RRI 系統(tǒng)為閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，由泵、波動(dòng)水箱、換熱器等設(shè)備組成，其中RRI887/888VN 安全閥位于EAS 換熱器下游（圖1）。根據(jù)RCC-P[1]規(guī)定，RRI 系統(tǒng)冷段設(shè)備冷卻水溫度低于35 ℃，事故溫度低于45 ℃；同時(shí)為保證其他系統(tǒng)安全運(yùn)行，RRI 系統(tǒng)冷段設(shè)備冷卻水溫度大于15 ℃。

圖1 RRI 系統(tǒng)布置示意

RRI 系統(tǒng)的作用主要有：①向核島各用戶(hù)提供冷卻水；②把熱負(fù)荷通過(guò)SEC（重要廠用水系統(tǒng)）傳到海水之中；③在核島各熱交換器和海水之間形成屏障，防止來(lái)自有關(guān)熱交換器的放射性流體釋放到海水中[2]。

RRI887/888VN 安全閥為彈簧式安全閥，安全閥的整定壓力為12.0 bar（1.2 MPa），其原理是依靠彈簧的彈性壓力將閥門(mén)的瓣膜等密封件閉鎖，當(dāng)系統(tǒng)管線超壓時(shí)閥瓣克服安全閥的彈簧壓力，閉鎖裝置被頂開(kāi)，安全閥開(kāi)啟泄壓。

1 原因分析

1.1 RRI887/888VN 安全閥動(dòng)作原因分析

1.1.1 集團(tuán)內(nèi)核電廠RRI 系統(tǒng)及設(shè)備調(diào)查對(duì)比

根據(jù)調(diào)查，這些RRI 系統(tǒng)設(shè)備的布置形式、標(biāo)高完全相同；與系統(tǒng)壓力直接相關(guān)的RRI 泵、RRI887888VN 安全閥由不同廠家生產(chǎn)，且包含進(jìn)口/國(guó)產(chǎn)（表1）；各類(lèi)換熱器、波動(dòng)水箱等設(shè)備亦由不同廠家生產(chǎn)。

表1 核電廠RRI 泵及安全閥生產(chǎn)廠家對(duì)比

各核電廠的系統(tǒng)布置、設(shè)備差異對(duì)比分析表明，RRI887/888VN安全閥動(dòng)作問(wèn)題并非單一設(shè)備導(dǎo)致，也非安全閥設(shè)計(jì)缺陷等原因，因此需要從RRI 系統(tǒng)整體的運(yùn)行情況綜合研究分析RRI 泵啟動(dòng)瞬態(tài)工況，研究啟泵的瞬間的系統(tǒng)沖擊特性及安全閥處的壓力變化情況。

1.1.2 RRI887/888VN 安全閥前壓力瞬態(tài)分析

針對(duì)RRI 系統(tǒng)小流量運(yùn)行時(shí)啟泵工況開(kāi)展多次錄波分析，各電廠RRI887/888VN 安全閥動(dòng)作均發(fā)生在RRI 泵啟泵2～3 s后，這與RRI887/888VN 安全閥前壓力的駝峰現(xiàn)象時(shí)間相對(duì)應(yīng)（圖2），壓力峰值最大達(dá)到13.3 bar（1.33 MPa）。

圖2 安全閥前壓力駝峰瞬態(tài)錄波情況

綜合以上分析，RRI887/888VN 安全閥動(dòng)作的根本原因是，小流量工況下RRI 泵啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速、流量上升期間，RRI 泵出口及系統(tǒng)存在壓力沖擊現(xiàn)象。該現(xiàn)象是離心泵固有特性，最終造成安全閥處存在壓力駝峰，引起安全閥起跳。

為解決該群廠技術(shù)問(wèn)題，需從安全閥設(shè)計(jì)目的入手，同時(shí)對(duì)比國(guó)內(nèi)外核電廠RRI 系統(tǒng)布置、設(shè)備差異，制定出合理可行的解決方案。

1.2 RRI887/888VN 安全閥設(shè)計(jì)目的分析

查詢(xún)AMSE 規(guī)范[3-4]、API 520 標(biāo)準(zhǔn)[5]、法國(guó)RCC-P 標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)換熱器有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)RRI887/888VN 安全閥設(shè)計(jì)在EAS 換熱器下游，是為了保護(hù)換熱器在異常工況下不受損壞，但設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中涉及的異常工況在換熱器實(shí)際運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)（表2），可以確認(rèn)，這些安全閥屬于“過(guò)度冗余設(shè)計(jì)”。

1.3 國(guó)內(nèi)外核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)查

針對(duì)RRI887/888VN 安全閥“過(guò)度冗余設(shè)計(jì)”問(wèn)題與國(guó)內(nèi)、外核電設(shè)計(jì)專(zhuān)家交流，核實(shí)M310 堆型核電廠的RRI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備情況（表3）。

根據(jù)對(duì)比分析可得到以下結(jié)論：

（1）國(guó)內(nèi)外M310 堆型核電廠系統(tǒng)管道布置，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)相似，且RRI 泵啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中也存在瞬態(tài)沖擊現(xiàn)象。

（2）EDF M310 堆型核電廠EAS 換熱器下游未設(shè)計(jì)RRI887/888VN 安全閥，法國(guó)格拉芙林（C 電廠參考電站）核電廠已運(yùn)行將近40 年，暫未收到由于RRI 泵瞬態(tài)沖擊引起設(shè)備異常事件的經(jīng)驗(yàn)反饋。

根據(jù)以上調(diào)研分析，當(dāng)EAS 換熱器RRI 側(cè)增加RRI887/888VN 安全閥后，由于RRI 系統(tǒng)本身存在瞬態(tài)沖擊特性，造成安全閥運(yùn)行不穩(wěn)定，不僅未起到保護(hù)EAS 換熱器的作用，反而還降低了RRI 系統(tǒng)可靠性。

2 解決方案評(píng)估分析

根據(jù)1.2 及1.3 章節(jié)分析，RRI887/888VN 安全閥屬于過(guò)度冗余設(shè)計(jì)，考慮將提高安全閥定值作為最終解決方案。該方案不僅可以避免安全閥泄漏，還保留了安全閥的部分安全功能。

2.1 RRI887/888VN 安全閥最大許用壓力分析

RRI887/888VN 安全閥上法蘭和閥座為一體化制造，其安全閥設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行溫度以及法蘭設(shè)計(jì)的最高承壓能力核實(shí)如下：

（1）安全閥的進(jìn)口法蘭材料和等級(jí)：上法蘭，Z2CND17-12，CL150 磅級(jí)；下法蘭，碳鋼，CL150 磅級(jí)。

（2）結(jié)合EAS 換熱器RRI 側(cè)設(shè)計(jì)溫度計(jì)算后，上法蘭為薄弱點(diǎn)，其最高許用壓力為16.1 bar（1.61 MPa）。

根據(jù)以上分析，初步確認(rèn)將安全閥整定值調(diào)整至16.1 bar。

2.2 EAS 換熱器及管道承壓能力分析

（1）EAS 換熱器最大許用壓力分析。泄壓裝置的整定壓力不得超出容器最大許用工作壓力[6]，而EAS 換熱器的試驗(yàn)壓力（密封壓力）為18.0 bar，其最大許用工作壓力應(yīng)大于18.0 bar。

（2）EAS 換熱器殼側(cè)最大承壓能力分析。參考EAS 換熱器設(shè)計(jì)文件，其殼側(cè)最大承壓計(jì)算公式為：

式中 t——EAS 換熱器殼體厚度，20 mm

R——EAS 換熱器殼體內(nèi)半徑，580 mm

s——最大許用應(yīng)力值，87.55 MPa

經(jīng)計(jì)算，P=30.0 bar（3.0 MPa）。

（3）管道承壓能力計(jì)算。管道承壓能力計(jì)算公式如下：

式中 T——管道厚度，6.35 mm

0.D——外徑，610 mm

SF——安全系數(shù)，取1

S——屈服強(qiáng)度，210 MPa

經(jīng)計(jì)算，P=45 bar（4.5 MPa）。

EAS 換熱器承壓能力和系統(tǒng)管道承壓能力的分析結(jié)果見(jiàn)表4，可見(jiàn)RRI887/888VN 安全閥整定值需低于18.0 bar。

表4 容器運(yùn)行壓力統(tǒng)計(jì)

2.3 提升安全閥整定壓力方案可行性分析

綜合上述分析結(jié)果，確認(rèn)安全閥整定值由12.0 bar 調(diào)整至16.1 bar 可滿(mǎn)足系統(tǒng)及設(shè)備的承壓能力。根據(jù)調(diào)研，提高RRI887/888VN 安全閥定值方案現(xiàn)場(chǎng)改造工作量小，更換核級(jí)彈簧僅需“0.8 萬(wàn)元/根”，安全閥仍然保留對(duì)EAS 換熱器一定的保護(hù)功能并消除安全閥頻繁起跳缺陷，有效提高了RRI 系統(tǒng)可靠性。

3 仿真計(jì)算驗(yàn)證分析

采用Flomaster 軟件對(duì)RRI 系統(tǒng)開(kāi)展建模仿真，評(píng)估安全閥定值調(diào)整后對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)壓力的影響（圖3）。仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安全閥定值為12.0 bar 時(shí)系統(tǒng)瞬態(tài)最大壓力為13.9 bar（1.39 MPa），提高安全閥定值至16.1 bar 時(shí)系統(tǒng)瞬態(tài)最大壓力為14.0 bar（1.40 MPa）。由此可以判斷，取消安全閥對(duì)系統(tǒng)泄壓和瞬態(tài)壓力的影響不大。

圖3 Flomaster 建模仿真計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）造成RRI887/888VN 安全閥頻繁起跳的根本原因是，小流量工況下RRI 泵啟泵時(shí)存在壓力瞬態(tài)沖擊特性。參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，核實(shí)安全閥為“過(guò)度冗余設(shè)計(jì)”，這降低了RRI 系統(tǒng)可靠性。

（2）解決方案僅需更換RRI887/888VN 安全閥彈簧，將安全閥整定值由12.0 bar 提高至16.1 bar。提高整定值后降低了安全閥泄漏風(fēng)險(xiǎn)且仍保留安全閥部分安全功能。目前該方案已在某集團(tuán)內(nèi)各電廠推廣實(shí)施，有效解決了RRI887/888VN 安全閥頻繁起跳問(wèn)題。