AP1000主蒸汽安全閥在線校驗技術分析

呂 闖，趙立懷

（中電華元核電工程技術有限公司煙臺分公司，山東煙臺 265100）

0 引言

主蒸汽安全閥作為核電站關鍵設備，為蒸汽發生器和主蒸汽系統提供超壓保護，能有效防止蒸汽發生器與主蒸汽管線的壓力超過設計限值，保證二回路壓力邊界的完整性。目前，三門、海陽AP1000 核電站1#、2#機均配有12 臺主蒸汽安全閥，對稱布置在2 條主蒸汽管線上。

根據ASME OM 分卷強制性附錄I 的要求，主蒸汽安全閥需要在首次臨界前6 個月內進行校驗，每間隔24 個月需要至少進行20%的閥門監督，且所有主蒸汽安全閥至少需要每5年校驗一次，以驗證安全閥功能的可靠性，確保核電站安全、穩定運行。

主蒸汽安全閥校驗可以分為在線校驗和離線校驗，其中在線校驗還可以分為實跳和借用輔助裝置校驗2 種。下面將重點介紹AP1000 主蒸汽安全閥借用輔助裝置（HSPD）在線校驗技術。

1 AP1000 主蒸汽安全閥及校驗裝置

三門、海陽AP1000 核電1#、2#機組的主蒸汽安全閥是由美國TYCO 生產的8T 10*10 HA-75-FN B 型安全閥，屬于核安全二級設備，安裝在蒸汽發生器與主蒸汽快關隔離閥之間的管線上。每條主蒸汽管線上有6 臺，用于主蒸汽管道及蒸汽發生器在瞬態或事故情況下的超壓保護，防止蒸汽發生器與主蒸汽管線的壓力超過設計壓力的110%，保證二回路壓力邊界的完整性。

AP1000 主蒸汽安全閥在結構上屬于全啟式彈簧加載安全閥，采用嵌入式彈性閥芯，其特點是在閥瓣與閥座之間產生彈性密封，可以有效延遲前泄，并使閥芯、閥座的受力均衡以實現更好的密封效果。閥座與閥瓣上配有上、下調節圈，可以實現精確的起跳與回座，其基本動作原理與全啟式彈簧加載安全閥相同。

由于AP1000 模塊式安裝設計特點，12 臺主蒸汽安全閥被分別布置在12404 和12406 房間內（圖1）。房間內設備布置較為緊湊，檢修空間有限，給安全閥離線校驗帶來一定難度。

AP 1000主蒸汽安全閥在線校驗裝置（HSPD）由美國T YCO 提供，屬于專用工器具，由液壓缸組件、聯軸器、支架、手動液壓泵、壓力顯示裝置組成（圖3）。壓力顯示裝置分為機械式壓力表和數顯壓力表2 種，前者的誤差范圍為±0.25%，后者的誤差范圍為±0.1%。工作時，手動液壓泵提供動力源，通過油壓使液壓缸活塞產生運動，從而通過聯軸器帶動閥桿動作，克服彈簧彈力，實現安全閥起跳（圖3）。

圖1 單列主蒸汽安全閥廠房布置效果

圖2 HSPD 校驗裝置

2 在線校驗原理

2.1 安全閥動作原理

AP1000 主蒸汽安全閥是一種彈簧加載直接作用式安全閥，其基本原理是介質壓力克服彈簧彈力使閥門開啟，介質壓力低于起跳壓力時依靠彈簧彈力密封。

系統運行時，安全閥入口壓力低于整定壓力，閥瓣在彈簧力的作用下壓在閥座上處于關閉位置，此時作用在閥瓣上的彈簧力Fs=FN+Fseal。其中，Fs為彈簧力，與彈簧壓縮量有關，在系統與環境溫度不變的情況下，是一個定值；FN為介質作用在閥瓣上的力，是介質壓力p 與安全閥閥瓣有效密封面積As的乘積；Fseal為保證安全閥有效密封的密封力，是彈簧力Fs與FN之差。

系統正常運行時Fseal＞0，此時系統壓力低于整定壓力，也就是彈簧力大于介質作用在閥瓣上的力；當系統壓力接近或大于安全閥的整定壓力時，彈簧力接近或小于介質作用在閥瓣上的力，Fseal≤0，此時安全閥起跳；蒸汽排放后，系統壓力重新下降到整定壓力以下，此時介質作用在閥瓣上的力低于彈簧，閥門關閉。

2.2 在線校驗原理

安全閥在線校驗的原理就是在系統在線的情況下，用外加力將安全閥強制開啟，從而測量其開啟壓力，根據上面安全閥動作原理的公式可得安全閥在線校驗的公式：Fs=FN+Fseal+Fh。其中，Fh液壓裝置提升力。

利用安全閥驗裝置校驗時，系統壓力遠低于整定壓力，這時利用液壓裝置提升閥桿來克服一部分的彈簧力。緩慢增加液壓裝置提升力，當FN與液壓裝置提升力Fh之和等于彈簧彈力時安全閥起跳，此時液壓裝置提升力Fh換算后的壓力值與系統壓力之和就是安全閥真實整定壓力值（圖3）。由此可知，AP1000主蒸汽安全閥在線校驗的關鍵是獲得準確的液壓裝置提升力，并將其轉換成對應的壓力值。

圖3 在線校驗受力分析

3 在線校驗過程介紹

執行主蒸汽安全閥在線校驗需要機組處于運行模式3（熱備用），主蒸汽母管壓力穩定在7.24 MPa，廠房內環境溫度需要在10～54.4 ℃。為了保證在線校驗期間系統壓力的穩定性，2列蒸汽母管只能有1 列進行在線校驗工作，每臺閥門校驗時間間隔在20 min 以上。

工作組成員由5 人組成（其中至少1 人具備安全閥校驗資質），1 人總體負責該項工作的指揮和協調，2 人在現場就地進行校驗，1 人在廠房外監視安全閥動作及密封試驗時的泄漏情況，1 人在主控室記錄蒸汽母管壓力。校驗前要進行風險分析并制定預防措施方案，確保校驗過程中人員和設備的安全得到有效防護。

表1 主蒸汽安全閥標準整定壓力值 MPa

具體校驗步驟如下：

（1）儀控人員配合拆除安全閥頂部位置反饋開關。

（2）拆除安全閥上部保護罩。

（3）組裝安全閥在線校驗裝置（HSPD）。

（4）校驗前要記錄系統當前壓力值P0，參考閥門編號選擇閥門標準整定壓力值P1，計算出P1與P0的差值ΔP=P1-P0。

（5）根據ΔP 值選擇在線校驗裝置提升壓力Pt。

（6）按動手動液壓泵，緩慢升壓至80%Pt，然后以非常緩慢的速率提升壓力，直至安全閥起跳后迅速卸掉在線校驗裝置內液壓，使安全閥回座，并記錄壓力顯示裝置的壓力值Pt1。

（7）如果Pt=Pt1，則整定壓力合格；如果Pt＞Pt1，則整定壓力不合格，需要調整。

（8）如果整定壓力不合格，則需要調節調整螺母位置調節整定壓力值。

4 結語

AP1000 核電站設備布置較為緊湊，主蒸汽安全閥現場檢修空間狹小，安全閥離線校驗消耗人工時較大。目前國內壓水堆核電站不具備離線熱態校驗的條件，而離線冷態校驗誤差較大，所以AP1000 主蒸汽安全閥在線校驗技術得到認可和使用。與離線校驗和實跳相比，AP1000 主蒸汽安全閥在線校驗技術具有如下特點：

（1）與主蒸汽安全閥實跳校驗相比，對系統設備危害較小，且安全性更高。

（2）與離線校驗相比，有效降低了設備解體、運輸、校驗帶來的人工時成本。

（3）無需停堆，在機組熱備用狀態即可執行。

（4）起跳壓力是通過間接計算而來，受校驗裝置誤差影響，與真實值存在偏差。

（5）受現場條件制約，無法準確測量安全閥在密封壓力下的泄漏率。

（6）起跳后閥體內異物可能夾雜在密封面處，造成密封面損傷。