AP1000電站主給水調(diào)節(jié)閥泄漏率等級的變更

施奇平

摘 要

主給水調(diào)節(jié)閥為AP1000電站安全相關(guān)設(shè)備，原設(shè)計(jì)的泄漏率等級被多家生產(chǎn)商證實(shí)無法達(dá)到，設(shè)計(jì)方要求降低泄漏等級。本文通過對泄漏率有直接影響的不同密封結(jié)構(gòu)的比較，對降級后的閥門對安全相關(guān)功能和檢修頻率的影響進(jìn)行的分析，對主給水調(diào)節(jié)閥設(shè)備泄漏率等級變更事宜進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞

AP1000;主給水調(diào)節(jié)閥;泄漏率等級;主蒸汽破管;給水隔離

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 78

0 引言

主給水調(diào)節(jié)閥和啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥是安全相關(guān)設(shè)備，在電站正常運(yùn)行期間提供給水流量調(diào)節(jié)，同時(shí)在瞬態(tài)情況下能夠反向隔離給水管線。閥門的泄漏率等級是衡量閥門密封性能優(yōu)劣的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。本文以主給水調(diào)節(jié)閥為例，通過對閥門功能、密封結(jié)構(gòu)和泄漏率等級的介紹、閥門泄漏等級變更后對系統(tǒng)安全功能的影響和檢修頻率進(jìn)行評估分析，對AP1000關(guān)鍵性的設(shè)備泄漏率等級變更事宜進(jìn)行了闡述。

1 問題提出

參考美國流體控制協(xié)會(huì)（FCI）標(biāo)準(zhǔn)FCI 70-2要求，西屋公司在原設(shè)計(jì)中主給水調(diào)節(jié)閥規(guī)定主給水調(diào)節(jié)閥和啟動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥泄漏率等級應(yīng)為正向Ⅴ級、反向Ⅳ級。但是在實(shí)際設(shè)備制造和市場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在目前的技術(shù)條件下，要在主給水調(diào)節(jié)閥和啟動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥上實(shí)現(xiàn)該泄漏等級是不現(xiàn)實(shí)的。另外，如果要滿足上述閥門泄漏率要求，閥門內(nèi)部部件需要每個(gè)運(yùn)行周期更換一次，閥門面臨過度的維護(hù)，這和此類型閥門的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相悖。西屋公司作為原設(shè)計(jì)方提出設(shè)計(jì)變更建議將閥門泄漏率等級改為兩個(gè)方向均為Ⅲ級。

2 閥門功能介紹

三門核電工程1號機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器的主給水管線設(shè)置了一臺(tái)主給水逆止閥，一臺(tái)主給水隔離閥，一臺(tái)主給水調(diào)節(jié)閥。主給水調(diào)節(jié)閥公稱直徑為20 英寸的氣動(dòng)截止式調(diào)節(jié)閥，為安全C級，1E級設(shè)備，抗震Ⅰ類。密封等級正向?yàn)棰跫墸聪颌艏墶?/p>

主給水調(diào)節(jié)閥執(zhí)行蒸汽發(fā)生器隔離和主給水隔離的安全相關(guān)功能，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、線性負(fù)荷變化、階躍負(fù)荷變化情況下執(zhí)行保持蒸汽發(fā)生器水位的非安全相關(guān)功能。

主給水調(diào)節(jié)閥的正向流向是由主給水泵流向蒸發(fā)器。當(dāng)主給水調(diào)節(jié)閥下游管線破裂，即安全殼內(nèi)靠近蒸發(fā)器一側(cè)管線破裂時(shí)，主給水調(diào)節(jié)閥作為主給水隔離閥的備用隔離，防止二回路的水流入安全殼內(nèi)。主給水調(diào)節(jié)閥的反向流向是由蒸發(fā)器側(cè)的水倒流向主給水泵。當(dāng)主給調(diào)節(jié)閥上游管線破裂，即靠近主給水泵一側(cè)管線破裂時(shí)，主給水調(diào)節(jié)閥作為主給水隔離閥的備用隔離，防止蒸汽發(fā)生器失水。相應(yīng)的閥門密封要求規(guī)定了閥門在對應(yīng)事件下所允許的最大泄漏量，保證其安全相關(guān)功能不受影響。

3 閥門泄漏率等級和密封結(jié)構(gòu)介紹

閥門泄漏率等級是衡量調(diào)節(jié)閥內(nèi)泄漏量大小的指標(biāo)，泄漏率等級越高，允許的泄漏量越小。國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)對調(diào)節(jié)閥泄漏等級有明確的規(guī)定，規(guī)范了泄漏率等級、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、實(shí)驗(yàn)程序、閥座最大允許的泄漏量。

針對主給水調(diào)節(jié)閥，西屋公司最初設(shè)計(jì)泄漏率等級為正向Ⅴ級，反向Ⅳ級。Ⅳ級泄漏率定義為0.01%的閥門泄漏量，主給水調(diào)節(jié)閥100%容量的閥門流量為18031gpm，故Ⅳ級泄漏率下允許的泄漏量為1.8gpm。Ⅴ級泄漏率下允許的泄漏量為0.00390gpm。

對于三門核電1號機(jī)組采用的美國CCI公司套筒型調(diào)節(jié)閥而言，它的密封點(diǎn)有兩個(gè)，閥芯與閥座的密封面、閥芯與閥門內(nèi)壁滑動(dòng)面間平衡密封環(huán)。任一密封點(diǎn)的密封不嚴(yán)，都會(huì)造成閥的內(nèi)漏。主給水調(diào)節(jié)閥關(guān)斷后，管道中的介質(zhì)可能會(huì)正向或反向地會(huì)沿著閥芯與閥門內(nèi)壁滑動(dòng)面間的密封環(huán)處泄漏。

為保證調(diào)節(jié)閥具有較高的密封性能，通常會(huì)在閥芯外壁與閥腔內(nèi)表面間的滑動(dòng)面間通常采用活塞環(huán)的形式密封，密封材料、密封形式選取的不同都將影響閥門密封性能。閥門設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的閥門泄漏率等級要求選擇不同的密封形式。密封環(huán)主要有兩道金屬材料的密封活塞環(huán)（見圖1）和帶柔性材料的平衡密封環(huán)（見圖2）兩種形式。

采用兩道相同金屬材料密封的活塞環(huán)，由于采用硬質(zhì)金屬材料，在正常工況下，基本不受介質(zhì)擠壓變形，控制泄漏的能力基本保持穩(wěn)定，故理論上正向和反向泄漏率等級相同。采用柔性材料的平衡密封環(huán)，使用了兩種不同的材料，金屬不銹鋼材料和柔性材料（常用聚四氟乙烯和碳纖維材料等），當(dāng)介質(zhì)正向（即正向泄漏方向）通過該平衡密封環(huán)泄漏時(shí)，介質(zhì)由下往上擠壓密封環(huán)，使得密封環(huán)膨脹，提高密封性能。而當(dāng)介質(zhì)反向通過該平衡密封環(huán)泄漏時(shí)，介質(zhì)由上往下擠壓密封環(huán)，使得密封環(huán)收縮，密封性能則會(huì)相應(yīng)被削弱。總體而言，采用柔性材料的密封環(huán)的密封效果要優(yōu)于采用兩道金屬材料密封的活塞環(huán)。

西屋公司聯(lián)系了4家獨(dú)立的閥門廠商，這4家廠商都認(rèn)為目前在該閥門的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)流量下，采用截止式的閥門形式無法實(shí)現(xiàn)Ⅴ級泄漏率。生產(chǎn)廠商曾試圖尋找適用于該場合的替代材料，但均未能實(shí)現(xiàn)。鑒于此，西屋公司提出了降低主給水調(diào)節(jié)閥泄漏率等級的設(shè)計(jì)變更建議。

4 閥門泄漏率等級變更論述

4.1 泄漏率等級變更對安全功能影響

根據(jù)原設(shè)計(jì)，如果發(fā)生主蒸汽管線破裂，并且假設(shè)主給水泵仍在運(yùn)行以及主給水調(diào)節(jié)閥下游的主給水隔離閥失效的情況下，調(diào)節(jié)閥作為隔離閥的備用應(yīng)盡量減少注入蒸汽發(fā)生器的給水流量，以避免二次側(cè)過多地帶走堆芯熱量、減小蒸汽產(chǎn)生量。因此，對調(diào)節(jié)閥提出了較為嚴(yán)苛的泄漏率等級要求。

但是實(shí)際上，主蒸汽管道破裂后，主蒸汽管線壓力將降低，持續(xù)的高給水流量和蒸汽流量短時(shí)間迅速增大也會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度降低。因此，主蒸汽管道破裂后的主蒸汽管線壓力低2信號或冷卻溫度低2信號將會(huì)觸發(fā)"S"信號，將迅速關(guān)閉所有的給水調(diào)節(jié)閥和給水隔離閥，停運(yùn)主給水泵。主給水泵跳機(jī)具有很高的置信度，由于主給水泵的停運(yùn)，這將根本上減小閥門上游管線壓力，因此會(huì)減小泄漏，故不再需要一個(gè)嚴(yán)苛的泄漏率等級支持該安全相關(guān)的功能。因此，在主蒸汽管線破裂或主給水管線破裂事故中，降低主給水調(diào)節(jié)閥泄漏率等級不會(huì)影響AP1000 安全殼的完整性。

主給水調(diào)節(jié)閥的反向泄漏率則可以不考慮，即使主給水隔離閥（泄漏率為10cc/hr）失效，上游的止回閥（泄漏率為2cc/hr）有更高的泄漏率等級要求。故將原設(shè)計(jì)中的閥門泄漏率等級由正向Ⅴ級，反向Ⅳ級改為兩個(gè)方向均為Ⅲ級不會(huì)對系統(tǒng)的安全相關(guān)功能造成影響。

4.2 泄漏率等級變更對檢修周期的影響

泄漏率等級的提高會(huì)不可避免地用到柔性材料，而柔性材料的使用將會(huì)增加維修頻率。相關(guān)閥門生產(chǎn)廠家提出使用能滿足Ⅳ級關(guān)閉泄漏率要求的柔性材料，但考慮到設(shè)備質(zhì)量和主蒸汽調(diào)節(jié)閥安全功能的要求和設(shè)計(jì)規(guī)定，所有柔性材料在電站壽期內(nèi)每次停堆換料必須更換。此外，柔性材料易受到輻射和熱作用的影響而發(fā)生降級，選擇柔性材料將給設(shè)備維護(hù)和檢修帶來不便。

目前國內(nèi)電站的主給水調(diào)節(jié)閥大多選用了較高的密封性能的柔性密封材料。而西屋公司在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)即使采用柔性密封材料其泄漏率等級也未必能達(dá)到正向Ⅴ級，反向Ⅳ級。且在類似閥門中使用柔性材料雖在一定程度上能提升泄漏率等級，但是密封性能會(huì)因柔性材料腐蝕、熱作用、老化等因素的影響而大幅下降，其壽命一般在2年左右，因此，每次停堆均需更換。相關(guān)電站根據(jù)閥門廠家的檢修手冊中將解體檢修周期定為4年，實(shí)際上有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

由西屋供貨的三門1號機(jī)組和海陽1號機(jī)組的主給水調(diào)節(jié)閥為滿足較高的泄漏率等級原計(jì)劃使用柔性密封材料和硬質(zhì)活塞環(huán)的中和密封。而將閥門泄漏率等級調(diào)整為Ⅲ級后，閥門廠商可選用硬質(zhì)密封環(huán)。密封環(huán)的更換周期也將由柔性材料所需的2年更換周期延長至8-12年。所以主給水調(diào)節(jié)閥泄漏率等級的降低，將延長閥門密封環(huán)的更換周期，減小檢修的頻率，有利于閥門的維護(hù)和檢修。

5 結(jié)語

主給水調(diào)節(jié)閥的泄漏率等級作為蒸汽發(fā)生器主給水隔離閥的一個(gè)備用隔離，其由原先設(shè)計(jì)中的允許泄漏率等級正向Ⅴ級、反向Ⅳ級，改為兩個(gè)方向均為Ⅲ級。該變更的處理對國內(nèi)核電站和三門核電后續(xù)機(jī)組類似閥門的密封結(jié)構(gòu)、密封材料的選取有一定借鑒意義。

閥門泄漏率等級降低后不會(huì)對系統(tǒng)安全相關(guān)功能產(chǎn)生影響。由于原泄漏率等級的設(shè)置考慮了主蒸汽管道破裂事故工況下主給水泵仍在運(yùn)行，而實(shí)際上主給水泵跳機(jī)有可靠的信號控制和很高的停泵置信度，故不再需要原設(shè)計(jì)中較為嚴(yán)苛的泄漏率等級來限制閥門的泄漏量。

降低泄漏率等級后可以在閥門內(nèi)插件中避免使用柔性材料，延長閥門解體檢修的周期，避免對閥門過度地解體檢修。對于已應(yīng)用了柔性密封材料的主給水調(diào)節(jié)閥或其他類似閥門合理安排檢修周期，檢修周期不宜過長，如有條件可定期做相應(yīng)的檢查。

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