彈簧式安全閥和先導式安全閥在核電廠中的飛射物源對比分析

韓 冰 王保平 嚴思偉 余小權 廖先偉

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610041）

0 引言

核電廠內部飛射物，是指核電廠內任何地點的承壓部件、旋轉機械設備以及爆炸等持續能量所加速的物塊。

高能流體系統中的閥門應作為潛在的飛射物加以評價。閥體強度通常遠強于連接管道，大多數情況下由閥體本身成為飛射物是相當不可信的。閥蓋與閥體一般為螺栓連接，由于螺栓材料參考RCC-M所規定的極限應力來選擇，法蘭的設計也參考RCCM的要求，所以阻止了閥蓋成為飛射物，即使螺栓可能會發生故障，但不可能所有的法蘭螺栓同時發生故障，因此，可認為用螺栓連接的閥蓋不會成為可信的飛射物。如果在設計時除螺紋外還至少考慮了一種方法來防止閥桿飛射，例如，上密封或電動/氣動執行裝置，那么閥桿就不作為潛在的飛射物來考慮。另外，螺母、螺栓、螺母和螺栓組件以及螺母和螺桿都只有很小的貯能，因此，不被認為是可信的飛射物。

有一種例外的情況是穩壓器安全閥，由于穩壓器安全閥位于穩壓器伸出平臺區域，假定穩壓器安全閥連接閥蓋與閥體的螺栓會損壞，閥蓋飛射物彈出會影響安全殼內襯的完整性。因此，穩壓器安全閥應作為潛在的飛射物源，考慮防護設計。

不同電廠所采用的穩壓器安全閥種類不同，目前廣泛應用的有彈簧式安全閥和先導式安全閥兩類，本文將對這兩類安全閥作為飛射物源的區別進行對比分析。

1 閥門飛射物特征參數計算方法

1.1 流體力學限值

根據伯努利方程，流體的位置勢能、壓強勢能、動能為一常量C。

根據機械能守恒，假設破口瞬間，流體初始狀態靜止且位置不變，其壓強勢能全部轉化為動能，此時為其流體速度的最大值，也是被該流體推動的閥桿、閥蓋、溫度計速度的極限值，定義為vB。

1.2 經典力學限值

已知飛射物源的質量為m，破口表面積S，重力加速度g，管道絕對壓力P，環境壓力Pa，飛射物源與其飛射方向上的屏障距離為L。假設破口瞬間的流體壓力持續不變地作用在飛射物源上，直至其撞擊到屏障，根據牛頓經典力學，此時的極限速度值定義為vN。

實際計算時，須比較vB和vN的大小，并取小值作為撞擊速度，此時仍具有很高的保守性，并能減少對速度的高估程度。

出于保守性，流體力學限值計算時，P可以取設計壓力，ρ可以取設計壓力下最高水溫對應的最小密度。對于水中的硼酸濃度，濃度越高則密度增大，在不考慮少量硼酸對水物理性質的影響下，可保守性地忽略硼酸對密度的影響。經典力學計算時，飛射方向可以取向下，與重力同向。

2 穩壓器安全閥飛射物計算

2.1 彈簧式安全閥

彈簧式安全閥結構圖如圖1。

圖1 彈簧式安全閥結構圖

圖2 彈簧式安全閥結構圖

根據電廠設計要求：

P=設計壓力17.23 MPa（a），

Pa=大氣壓力0.1 MPa（a），

設計溫度=360℃，

計算得：

ρ=560.15 kg/m3，

彈簧式安全閥的飛射物按照除閥體和閥座以外的部分計算：

飛射物質量m=180 kg，

S=0.02 m2，

撞擊物為安全閥上方的鋼平臺，閥門距離撞擊物的距離L=3.6 m，

計算得：

a=2 150.29 m/s2，

綜上：

vB=248.03 m/s，

vN=124.42 m/s，

v=124.42 m/s。

2.2 先導式安全閥

根據電廠設計要求：

P=設計壓力17.23 MPa（a），

Pa=大氣壓力0.1 MPa（a），

設計溫度=360℃，

計算得：

ρ=560.15 kg/m3，

先導式安全閥的飛射物按照閥蓋部分計算：

飛射物質量m=66.23 kg，

S=0.009 3 m2，

撞擊物為安全閥上方的鋼平臺，閥門距離撞擊物的距離L=3.79 m，

計算得：

a=2 395.59 m/s2，

綜上：

vB=248.03 m/s，

vN=134.72 m/s，

v=134.72 m/s。

3 穩壓器安全閥飛射物防護

由上文計算可知，彈簧式安全閥和先導式安全閥飛射物的撞擊速度相差不大，但由于兩類閥門的結構特性存在較大差異，彈簧式安全閥飛射物的質量比先導式安全閥飛射物的質量大得多，導致撞擊沖量也大很多，因此，在對穩壓器安全閥進行飛射物防護設計時，應特別注意安全閥的類別，對于彈簧式安全閥，應采取措施加強防護。

4 結論

由于穩壓器安全閥在核電廠中的特殊位置，應將其作為潛在的飛射物源考慮防護設計。目前，廣泛應用的彈簧式安全閥和先導式安全閥因其結構不同應分別考慮其作為飛射物源的危害。根據本文對比分析，在閥門飛射物速度相近的情況下，彈簧式安全閥飛射物的質量較先導式安全閥飛射物大得多，導致撞擊沖量也大得多，因此，在對穩壓器安全閥進行飛射物防護設計時，相較于先導式安全閥，應對于彈簧式安全閥采取措施加強防護。