M310機組穩壓器先導式安全閥的應用及兩向分配器故障判斷

劉 強，尚憲和

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 穩壓器先導式安全閥的應用

三哩島事件的根源是人因失誤和機械故障，最主要的機械故障是穩壓器安全閥組開啟后,當反應堆內壓力下降至正常時，閥門由于故障未能自動回座，最終發生“LOCA”失水事件，堆芯90%的燃料棒包殼破損，47%的核燃料融毀。當前M310核電機組的穩壓器安全閥使用的是法國WEIR-SEBIM公司生產的先導式安全閥組。

1.1 先導式安全閥的組成

M310機型的穩壓器SEBIM安全閥，共設置了3組SEBIM閥，每個閥組由串聯安裝的2臺閥門組成，上游閥門稱為安全閥，具有泄壓功能，3個保護閥有不同的整定壓力，為穩壓器提供3重超壓保護。下游閥門稱為隔離閥，具有隔離功能，3個隔離閥整定值相同。系統正常運行時，保護閥關閉、隔離閥開啟，如果保護閥開啟之后無法回座時，隔離閥會在系統壓力降至138 bar時關閉，防止一回路進一步泄壓[1]。

圖1 先導式安全閥的外觀圖Fig.1 The appearance of pilot operated safety valve

1.2 先導式安全閥的動作原理

圖2 先導式安全閥動作原理圖Fig.2 The schematic of the operation of the pilot operated safety valve

主閥的開啟和關閉是依靠閥頭活塞腔體的充壓和泄壓來實現的，見圖2，閥瓣面積為s；閥頭活塞面積為S；系統壓力為P；密封力為F。

建立方程：P×S=P×s+F，

F=P×(S-s)

設計中，S>s，所以密封力一直為正，而且閥頭壓力為系統壓力，密封力會隨著系統壓力的增加而增加，但是當系統壓力達到控制柜整定壓力時，閥頭通過控制柜泄壓，此時閥頭活塞上壓力為零，閥瓣在系統壓力的作用下被頂起，閥門開度迅速達到全開。

1.3 先導式安全閥的控制原理

先導式安全閥的動作是通過控制柜來實現的，控制柜的整定壓力又是如何產生的呢？兩向分配器(R1或R2)是穩壓器安全閥組的核心部件，閥組的動作和功能都是通過R1、R2來實現的。

圖3 先導式安全閥動作控制原理圖Fig.3 The schematic diagram of operation control of the pilot operated safety valve

見圖3：系統壓力經冷凝器分成兩路，一路經過過濾器去R1，另外一路不經過過濾直接去控制柜的控制活塞。讓我們做如下計算：

設：系統壓力是P，彈簧彈性系數為K，彈簧預緊力為F，R1/R2間隔為X(以X=R1/R2間隔y-調整后的控制桿厚z)，控制活塞面積為a。

第一階段：

當P≤F/a時，控制桿處于上限位置，頂起R1，R1打開。這時系統壓力P通過R1，進入閥頭，作用于閥頭活塞上，閥門關閉。

圖4 先導式安全閥處于關閉狀況Fig.4 Closure of the pilot operated safety valve

第二階段：

P增大，控制桿逐漸離開R1，在未到達R2前，R1和R2都關閉，閥頭壓力保持原來壓力，此時閥頭依然維持R1關閉瞬間時的壓力，閥門關閉。

圖5 先導式安全閥處于關閉狀況Fig.5 Closure of the pilot operated safety valve

第三階段：

P繼續增大，達到P=F/a+K×X/a時，控制桿達到R2，R2打開，閥頭壓力通過R2排至漏斗，閥頭失壓，閥瓣在系統壓力的作用下迅速上移至全開；系統泄壓，P減小。

第四階段：

P繼續減小，當P≤F/a+K×X/a時，控制桿離開R2，此時R1/R2關閉，閥頭保持失壓，閥門依然開啟；

第五階段：

P繼續減小，當P=F/a時，控制桿達到R1，R1開啟，系統壓力P又通過R1，進入閥頭，閥門關閉，至此，閥門完成一個循環。

圖6 先導式安全閥處于排放狀況Fig.6 Open of the pilot operated safety valve

圖7 先導式安全閥處于排放狀況Fig.7 Open of the pilot operated safety valve

圖8 先導式安全閥處于關閉狀況Fig.8 Closure of the pilot operated safety valve

2 兩向分配器的簡介

2.1 兩相分配器的內部結構

每組閥門中的保護閥或隔離閥控制機構安裝兩個兩向分配器(R1和R2)，R1和R2的內部結構和動作原理都是一樣的，其外形照片見圖10所示。

圖9 兩向分配器外形照片Fig.9 The appearance of the two-way allocator

兩向分配器的外形尺寸是60 mm×60 mm×45 mm,其內部部件布置得非常緊湊。在五年期限的解體檢修期間，兩向分配器都作為整體必換件進行更換，無需對其進行解體檢查，所以SEBIM廠家不提供兩向分配器的內部結構和圖紙資料(主要為了專利技術的保密)。為了便于介紹兩向分配器的內部結構根據兩向分配器實物，進行測繪、建模，見圖11。

兩向分配器主要由底塊組件和執行組件兩部分組成，底塊組件的作用是通過內部閥芯的動作來控制進出口流道之間的通、斷；執行組件是通過杠桿機構將外界的控制作用傳遞到底塊組件，使其內部閥芯動作。

底塊組件主要由內部流道、閥芯、頂針、彈簧和密封件(O形圈)等構成，如圖12所示。內部流道直接加工在底塊的內部；閥座密封面通過過盈配合與底塊連接，并用O形圈密封；閥芯選用球形的紅寶石，其所帶來密封性比金屬材質的閥芯更好，另外硬度和強度也更好；執行組件的動作可以直接傳遞到頂針，而頂針直接作用在閥芯上；內部彈簧的作用方向與頂針對閥芯的作用方向正好相反(相對)，彈簧可使閥芯與閥座密封面貼合保持密封，它是低壓密封力的主要來源，高壓密封性則是通過一回路的高壓介質來提供的。

圖10 兩向分配器外形圖及內部結構剖視圖Fig.10 The profile and internal structure sectional view of the two-way allocator

執行組件通過頂塊作用在角形杠桿的一端，直角杠桿的另一端與底塊組件的頂針接觸，頂塊的上下移動可以通過支點直接傳遞到頂針上，使其頂針左右移動，如圖13所示。

2.2 兩相分配器功能的實現

兩向分配器的結構和動作原理是一樣的，但是同一個閥門中的兩個兩向分配器的安裝位置和功能是不同的。R1和R2分別安裝在三塊組件中的上部塊的下部和下部塊的上部，如圖14所示，R1和R2的安裝位置豎直相對，先導凸臺位于R1和R2的頂塊之間，導桿與先導凸臺剛性連接,導桿的上下移動能帶動先導凸臺一起上下移動來控制R1、R2的動作。導桿的正上方是控制柜部件的重要組成部分先導彈簧桿，其在系統壓力和先導彈簧的共同作用下可以上下移動，先導彈簧桿向下移動會頂到導桿,使導桿和先導凸臺向下移動,先導彈簧桿向上移動,導桿和先導凸臺會自動復位，在自由狀態下導桿和先導凸臺在最上面。先導凸臺的上下移動可控制R1、R2的啟閉。

圖11 兩向分配器內部結構平面圖Fig.11 The plan view of the internal structure of the two-way allocator

圖12 執行組件內部結構示意圖Fig.12 The schematic of the internal structure of the actuator

通過調整先導凸臺的厚度來控制先導凸臺的移動與R1、R2啟閉的對應位置，即通過厚度的變化來調整開啟壓力與關閉壓力之間的差值。

在裝配時控制先導凸臺的厚度來保證R1、R2不會同時開啟，否則會造成一回路小破口事件[3]。

圖13 兩向分配器與三塊組件的相對位置Fig.13 The relative position of the two-way allocator and the three components

3 兩向分配器的內漏

3.1 產生內漏缺陷的原因

由于一回路正常運行壓力是156 bar,在事故工況下的壓力甚至會達到170 bar以上,兩向分配器所需承受的壓力很高,兩向分配器在保證閥芯密封性能方面進行了精心設計，由于兩向分配器閥芯尺寸小(閥芯球體直徑4.5 mm),實際作用面積小,如果兩向分配器密封面或者閥芯上有細微雜質(大于9 μm),此時兩向分配器會產生內漏。

3.2 兩向分配器內漏的危害

3.2.1 正常運行期間

換料大修定期實驗后，需要用除鹽除氧水對穩壓器安全閥組進行充水排氣操作，充水排氣的主要目的是防止一回路高溫、帶放射性的介質進入控制柜部件，同時也可保證控制柜部件、閥體部件、脈沖管線和動力管線內部是水實體(無氣泡)，這樣一回路的壓力可以準確快速得傳遞到控制柜部件并反饋給閥體部件動作。

正常運行時穩壓器安全閥組中保護閥和隔離閥的兩項分配器狀態是不同的。

其中保護閥的R1開啟、R2關閉，此時R2的作用是隔離脈沖管線(與一回路相連)和排泄管線(與大氣相連)，若此時R2存在內漏，就會使脈沖管線(與一回路相連)和排泄管線(與大氣相連)連通，此時一回路介質的壓力會將之前充水排氣進去的除鹽除氧水壓出脈沖管線和控制柜，一旦高溫的一回路介質進入控制柜部件，就會導致控制柜部件的所有橡膠密封圈失效(控制柜部件的大部分密封組件以橡膠材質為主)，此時整個控制柜部件的密封性將喪失，會使一回路產生開口，最終會造成“LOCA”事故，同時由于一回路溫度達到300 ℃左右，控制柜部件的機械部件無法承受如此高的溫度，這樣部分機械部件會受熱變形而報廢。

隔離閥的R1關閉、R2開啟，如圖6所示，此時R1的作用也是隔離脈沖管線(與一回路相連)和排泄管線(與大氣相連)，如果隔離閥R1內漏，后果會同保護閥的R2內漏一樣，最終導致控制柜部件受熱變形而報廢。

在機組正常運行時，為了減小R1、R2內漏造成嚴重后果的風險，主要有如下的幾個在線監測方法：

1)在脈沖管線上游設置了溫度探頭；

2)同時在排泄管線的出口設置了排水收集箱和液位計。

當溫度探頭檢測到脈沖管線水溫升高或達到一回路溫度，并且排水收集箱的液位計產生高液位報警時就進行干預[4]。

3.2.2 異常工況期間

當一回路超壓，保護閥會自動開啟，開啟過程中是先導彈簧桿下移，推動導桿和先導凸臺下移，使R1關閉，R2開啟，如果R1在關閉后存在內漏，就會使一回路與大氣連通，會造成“LOCA”事故，最終導致控制柜部件受熱變形報廢；

一回路降壓后保護閥會自動關閉，關閉過程中，R1開啟，R2關閉，如果R2關閉后存在內漏，一方面會使一回路與大氣連通產生小破口，造成LOCA事故，最終導致控制柜部件受熱變形報廢；另一方面也會使保護閥體部件的活塞上腔無法建立壓力使閥門關閉，就會發生保護閥卡開事故。

如果保護閥卡開，系統壓力無法穩住且會繼續下降，一回路失壓后隔離閥應該會自動關閉，即R1開啟，R2關閉，但是如果R2關閉后存在內漏，一方面會使一回路與大氣連通產生小破口，造成LOCA事故，最終導致控制柜部件受熱變形報廢；另一方面也會使閥體部件的活塞上腔無法建立足夠的壓力而使閥體部件無法關閉，即發生隔離閥卡開事故，此時保護閥、隔離閥全部無法關閉，最終發生一回路開口事件。

3.3 兩向分配器內漏的排查

3.3.1 機組正常運行期間

如果穩壓器安全閥組的保護閥的R1內漏或者隔離閥的R2內漏都會導致溫度計超溫同時液位計高液位報警，此時需采取緊急措施處理。

3.3.2 閥門動作、性能試驗

安全閥組的動作、性能試驗期間，用電磁閥操作閥門之后，如果發現排泄管線單次實驗的排水量超過200 mL，且沒有停止，則懷疑對應控制柜部件的兩向分配器存在內漏。

3.3.3 調試和大修壓力整定

壓力整定試驗的目的是驗證穩壓器安全閥組的動作是否滿足設計要求，也對兩向分配器的密封性能進行檢查，如圖15所示，將脈沖管線從控制柜上拆除，并將壓力整定試驗臺(BEN4)壓力管線連接到控制柜上原連接脈沖管線的接頭處，在試驗臺上連接壓力表T1，通過實驗臺輸出的壓力變化來模擬一回路的壓力變化使控制柜部件動作。然后在閥體部件活塞上腔引出壓力表T2，根據控制柜部件通過動力管線傳遞到閥體部件活塞上腔的壓力來評價控制柜部件發出的控制信號是否正確，即穩壓器安全閥組的起跳、關閉定值是否合格。

先用鎖定支架將先彈簧導桿鎖定在當前位置(此時R1打開，R2關閉)，后用BEN4試驗臺升壓至170 bar，試驗臺壓力管線隔離閥，觀察T2的壓力變化，如果壓力下降則檢查閥體部件至控制柜之間是否有泄漏的跡象，及排泄管線出口是否有水滴出，如果部件無泄漏跡象且排泄管線出口有水滴出，則兩向分配器R2存在內漏。

解除先導桿的鎖定用試驗臺升壓，整定過程中會得到圖17所示的壓力整定曲線圖，主要分四個階段。(T1相當于系統壓力，T2是動力管線傳遞到閥體部件的壓力)

階段一：BEN4試驗臺開始升壓T1、T2同步上升，直至R1關閉。

階段二：BEN4試驗臺繼續升壓，T1繼續上升，T2由于R1已經關閉壓力維持不變，直到R2開啟。R2開啟瞬間，閥體部件活塞上腔通過排泄管線與大氣連通，T2壓力瞬間變為大氣壓。該階段末對應的T1就是閥門的開啟壓力值。

圖14 壓力整定期間連接示意圖Fig.14 The schematic of connections during pressure setting

圖15 BEN4試驗臺Fig.15 The BEN4 test bench

階段三:T1壓力跟隨BEN4試驗臺繼續升高,至最高點使R2完全開啟。

圖16 壓力整定曲線圖Fig.16 The pressure setting curve

階段四：通過BEN4試驗臺逐漸降壓，此階段T2維持大氣壓，T1逐漸下降，直到突變下降。該階段末對應的T1就是閥門的關閉壓力值。

4 結束語

本文介紹了壓水堆穩壓器安全閥組兩向分配器的結構及內漏缺陷，文中講述的各種觀點、經驗和方法，可以給其他核電機組來借鑒和參考。另外，該穩壓器安全閥組已經應用到全世界的很多核電機組上，該設備的技術是成熟的，SEBIM公司設計該閥時在保證其安全功能的同時，也考慮了閥門日常維護的便利性。同時該類閥門的設計中集聚了許多國外比較先進的技術，如本文中講述的兩項分配器等，在許多方面都值得國內閥門制造廠家借鑒，這將有助于提高國產同類閥門的性能和全球競爭力，同時也有益于推動國內核電國產化的進程。