“華龍一號”安全殼隔離閥的閥腔打壓密封性試驗方法

田齊偉,劉 勇,尚 臣,孫 濤,高 超,張兆霖

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

核電廠安全殼作為包容放射性物質(zhì)的第三道安全屏障,在事故工況 (例如:失水事故或二回路蒸汽管道破裂事故)下用來承受安全殼內(nèi)壓,限制放射性產(chǎn)物向安全殼外的泄漏。在正常運行期間,對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的輻射提供生物屏蔽,并限制被污染的氣體泄漏到安全殼外。同時,安全殼的某些物項還用來保證正常運行期間的人員出入,以及安全殼內(nèi)外設(shè)備的機械和電氣連接。

安全殼隔離閥作為安全殼的重要組成部分,用于實現(xiàn)事故工況下貫穿安全殼的工藝管道的隔離。安全殼隔離閥的局部密封性,對于保證安全殼的整體泄漏率滿足設(shè)計要求至關(guān)重要。本文給出一種區(qū)別于常規(guī)安全殼隔離閥密封性試驗方法的閥腔打壓試驗方法,以最大程度上滿足 “華龍一號”裝料前的調(diào)試及正常運行期間的定期試驗需求。

1 安全殼泄漏率試驗

“華龍一號”的反應(yīng)堆廠房采用雙層安全殼結(jié)構(gòu),內(nèi)層安全殼是包容核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的主要物項,在所有可以想象的情況下提供對環(huán)境有效的防護(hù),外層安全殼則在廠址出現(xiàn)龍卷風(fēng)飛射物、外部爆炸以及輕型飛機撞擊等其他外部事件時,為內(nèi)層安全殼提供屏蔽作用。

為檢查安全殼建造質(zhì)量和評價在事故工況下泄漏的風(fēng)險,在電廠建造完成后的調(diào)試期間及壽期內(nèi)的定期試驗期間均需對安全殼的密封性進(jìn)行檢查,以保證泄漏率不超過設(shè)計要求?！叭A龍一號”安全殼相關(guān)試驗包括[1]:

(1)內(nèi)層安全殼局部試驗

1)B類試驗:測量通過安全殼特定貫穿件(設(shè)備閘門、人員閘門、燃料轉(zhuǎn)運通道、電氣貫穿件等)的局部泄漏;

2)C類試驗:對安全殼隔離閥加壓進(jìn)行的局部密封性試驗。

(2)內(nèi)層安全殼整體試驗

A類試驗:對安全殼承壓邊界加壓以測量安全殼的整體泄漏率,并在此期間進(jìn)行強度試驗。

(3)外層安全殼泄漏率試驗

測定外層安全殼的泄漏率。

核電廠投入運行后,這些試驗要定期進(jìn)行。在可能發(fā)生的事故后,也可能要進(jìn)行試驗,以檢驗修復(fù)工作的質(zhì)量。

2 常規(guī)安全殼隔離閥密封性試驗方法

安全殼隔離閥的密封性試驗,屬于C類試驗范疇。針對安全殼隔離閥的密封性試驗,單層安全殼和雙層安全殼結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)上的區(qū)別,該試驗涉及安全殼內(nèi)、外兩側(cè)所有貫穿件的隔離閥。常規(guī)安全殼隔離閥密封性試驗方法從原理上可分為 “流量補充法”和 “壓力下降法”兩種方法,如圖1所示。

上述常規(guī)方法的試驗要求如下[2]:

1)試驗在室溫下進(jìn)行;

2)以空氣或水為工質(zhì),對閥門加壓至安全殼設(shè)計壓力;

3)當(dāng)閥門裝有遠(yuǎn)距離操作裝置時,被試驗閥門的關(guān)閉不應(yīng)附加其他任何特別的操作;

圖1 安全殼隔離閥密封性試驗的常規(guī)方法Fig.1 Conventional leakage test method f or contain ment isolation valve

4)加壓方向與閥門執(zhí)行其安全功能的承壓方向一致,除非能夠證明反向加壓具有等同的效果。

采用常規(guī)方法時,需在被試驗閥門上游和下游管道設(shè)置試驗接口,同時要求在閥門所在工藝管線上游設(shè)置隔離邊界。“流量補充法”通過維持被試驗閥門上游隔離邊界 (V1和V3之間)內(nèi)壓力恒定,測量通過閥門 (t2)的流量大小確定泄漏率;“壓力下降法”則要求在被試驗閥門隔離邊界 (V1和V2之間)內(nèi)充以一定初始壓力的氣體,一段時間后通過測量隔離邊界內(nèi)物理參數(shù)的變化確定泄漏率的大小,該方法一般用于支管線及殼外隔離閥密封性的測量。

《核電廠安全殼密封性試驗》(NB/T 20018—2010)[2]中,對于C類試驗,方法上并沒有強制性的要求,試驗可以采用常規(guī)方法或具有等同效果的其他方法。但現(xiàn)場調(diào)試或定期試驗執(zhí)行過程中,發(fā)現(xiàn)常規(guī)方法在應(yīng)用過程中存在如下的缺陷:

1)兩道安全殼隔離閥之間布置管道的試驗,增加了第三道安全屏障的額外開口;

2)由于需在被試驗閥門所在工藝管線上設(shè)置隔離邊界,試驗時需要同步考慮其他試驗項目對每一個邊界閥門的占用情況;

3)在實際應(yīng)用中存在被試驗閥門所需的隔離邊界范圍很大,導(dǎo)致試驗結(jié)果準(zhǔn)確性不高的情況。

因此,現(xiàn)場調(diào)試或定期試驗過程中,需要一種新的安全殼隔離閥密封性試驗方法,對常規(guī)方法進(jìn)行優(yōu)化和補充。

3 安全殼隔離閥的閥腔打壓試驗方法

3.1 方法介紹

閥門工藝設(shè)計中,因擔(dān)心閥腔內(nèi)堆積填料碎屑,大多會在閥體上設(shè)置一個用于填料吹掃的閥根吹掃孔。正常情況下,吹掃孔通過螺紋型式密封,在需要吹掃時,將螺栓取出并通過壓縮空氣對閥腔進(jìn)行吹掃,吹掃完成后更換墊片,然后通過螺紋密封。閥體上的吹掃孔為閥腔打壓的隔離閥密封性試驗方法提供了試驗接口。

圖2 閘閥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of a gate valve

閥腔打壓的試驗方法以閥體中腔為承壓邊界,加壓管線連接到吹掃孔上,將試驗壓力引入到閥體中腔內(nèi),對閥門進(jìn)行密封性試驗,如圖2所示。通過維持閥腔內(nèi)的壓力恒定 (安全殼設(shè)計壓力Pc),測量加壓管線上的注入流量測量泄漏率。閥腔打壓的試驗方法符合常規(guī)方法中的溫度、介質(zhì)及閥門操作的要求。對于加壓方向,由于采用閥腔打壓時,試驗工質(zhì)在閥體中腔中,對于閥門的下游密封面而言,試驗過程中的試驗介質(zhì)加壓方向與常規(guī)方法一致,即與閥門執(zhí)行其安全功能的承壓方向一致。因此,相對于右側(cè)密封面,閥腔打壓的試驗方法,加壓方向與常規(guī)方法并沒有區(qū)別,且相對與常規(guī)方法閥腔打壓具有如下優(yōu)勢:

1)試驗過程中,以閥門中腔為承壓邊界,不需要其他隔離閥作為上、下游邊界,不影響其他類型試驗的進(jìn)程;

2)不需設(shè)置隔離邊界,試驗所需時間大為縮短;

3)從防止放射性物質(zhì)向安全殼外釋放的角度而言,隔離閥密封性試驗應(yīng)包含對閥門外漏的檢查,常規(guī)方法在上游密封面良好的情況下無法檢查閥門本體的泄漏,而閥腔打壓的形式包含了對閘閥閥體及上下游兩個密封面的檢查;

4)常規(guī)方法測得的泄漏率為試驗閥門及隔離邊界內(nèi)工藝管線的總泄漏率,閥腔打壓測得的泄漏率則為閥門本體的泄漏率,試驗結(jié)果更為保守。

從可實施性角度而言,閥根吹掃孔的存在為閥腔打壓的隔離閥密封性試驗方法提供了接口。但相對于常規(guī)方法中閘閥一側(cè)密封面的密封性完好即可保證試驗結(jié)果滿足要求,閥腔打壓對閥門的制造工藝要求更為嚴(yán)格,閥門兩側(cè)密封面均要求具有良好的密封效果,才能保證閥腔打壓試驗方法的順利實施。

3.2 驗收準(zhǔn)則

安全殼隔離閥密封性試驗的驗收準(zhǔn)則與所采用的試驗方法無關(guān),采用閥腔打壓對隔離閥進(jìn)行密封性試驗與常規(guī)方法的驗收準(zhǔn)則相同,均遵循RCC-M[3]及RCC-G中對于閥門及安全殼中C類試驗相關(guān)的驗收準(zhǔn)則要求。

在安全殼設(shè)計壓力下,安全殼隔離閥的實測總泄漏率限值為安全殼整體泄漏率的50%,對于雙層安全殼結(jié)構(gòu),此準(zhǔn)則值針對內(nèi)層安全殼的整體泄漏率。對于單體閥門試驗的最大允許泄漏率如下:

1)水壓試驗:Q≤0.1 Nc m3· (mm·h)-1閥門公稱直徑;

2)氣壓試驗:Q≤15.7 Nc m3· (mm·h)-1閥門公稱直徑,對于某些通風(fēng)系統(tǒng)的安全殼隔離閥,此準(zhǔn)則值為19.7 Nc m3· (mm·h)-1閥門公稱直徑。

3 .3 應(yīng)用實例

“華龍一號”堆型的安全殼噴淋系統(tǒng) (CSP)和安全注入系統(tǒng) (RSI)設(shè)計中,為提高系統(tǒng)的可靠性,每個系列僅在內(nèi)置換料水箱 (IRWST)與泵連接的管道之間設(shè)置了1臺電動隔離閥,此隔離閥設(shè)置在安全殼外,用以實現(xiàn)安全殼隔離功能。由IRWST向安全殼隔離閥的管道外面套有密封的同心護(hù)管,設(shè)有密封件使密封套和護(hù)管內(nèi)腔不能與IRWST或安全殼內(nèi)大氣直接連通。

以安全殼噴淋系統(tǒng)為例,由于換料水箱內(nèi)置,正常運行工況下IRWST內(nèi)為 (2400±100)mg/L的硼酸溶液,如圖3。采用常規(guī)方法測量013/014 VB的密封性時,需將IRWST內(nèi)的硼酸溶液排空,拆下過濾器,并在管道入口處焊接臨時盲板,加壓管線則接在臨時盲板上,通過維持盲板與013/014 VB之間的壓力恒定,由115/116 VB處分別測量013/014 VB的泄漏率。針對013/014 VB采用常規(guī)方法測量泄漏率時會產(chǎn)生如下問題:

1)每次測量要求排空IRWST內(nèi)的硼酸溶液,但由于存在死區(qū),硼酸溶液無法完全排空;

2)試驗前要求焊接臨時盲板,并在試驗后切除,操作復(fù)雜,工作時間長,且焊接過程中產(chǎn)生的碎屑可能進(jìn)入管道,從而使管道無法有效清潔;

3)若是事故后對隔離閥密封性進(jìn)行檢查,IRWST內(nèi)的溶液會存在放射性,工作人員進(jìn)行盲板焊接和切割的過程中會受到一定的輻射照射。

圖3 “華龍一號”安全殼噴淋系統(tǒng)隔離閥配置Fig.3 Configuration of the contain ment isolation valve f or CSP systemin HPR1000

針對013/014 VB,若采用閥腔打壓對其進(jìn)行密封性檢查,便不會產(chǎn)生上述問題。采用閥腔打壓的試驗方法,不需焊接和切割臨時盲板,且IRWST的硼酸溶液無需排空,試驗人員在殼外即可進(jìn)行試驗。試驗過程中的隔離邊界即為013/014 VB的閥體中腔,將013/014 VB閉鎖后,通過螺紋連接的形式,將引壓管接到閥門的閥根吹掃孔上,測量儀表連接到引壓管上,通過維持閥腔內(nèi)的壓力恒定,測量儀表的讀數(shù)即為013/014 VB的泄漏率。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)安全殼整體性試驗要求,給出了一種安全殼隔離閥密封性檢查的閥腔打壓試驗方法。相對于常規(guī)方法,閥腔打壓以閥根吹掃孔為試驗接口,閥體中腔為承壓邊界,不需在被測閥門上、下游設(shè)置試驗接口及隔離邊界,試驗過程大為簡化。特別在常規(guī)方法應(yīng)用困難的情況下,采用閥腔打壓的隔離閥密封性試驗方法具有較大優(yōu)勢。對于核電廠調(diào)試及定期試驗期間的隔離閥密封性檢查,具有較大的借鑒意義,特別對于縮短調(diào)試及定期試驗工期,具有很大的應(yīng)用價值。