核电厂稳压器SEBIM安全阀自主化检修经验反馈

2017-03-08张发云赵立彬吕艳新

核安全 2017年4期

邓冬,张发云，赵立彬，吕艳新，石红

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

SEBIM安全阀是目前世界上各国核电站中使用的最先进的先导式安全阀，其有着卓越的低压和超压保护功能[1]。1979年美国三里岛核事故，原因之一就是因为常规的弹簧式安全阀阀杆起跳后不回座阀芯而引起的堆芯熔化事件。由此，法国SEBIM 安全阀厂家研制生产出SEBIM 安全阀组[2-4]，具有稳定性好、结构繁杂、灵敏度高、可靠性高、功能完善的特点[5]。

稳压器是核电站核反应堆三大主设备之一，对核岛一回路压力进行控制并提供低压和超压保护的关键设备。SEBIM安全阀对控制稳压器及一回路的正常运行压力起关键作用，具有卸压功能，在RCP系统超压时将稳压器压力及时卸压，保证一回路系统及设备安全；当RCP系统低压状态时及时保护核岛一回路压力，避免由于系统压力太低而产生堆芯融化风险[1]。

在我国运行的部分二代加及三代压水堆核电站机组中，以岭澳核电站为例，在稳压器上安装了由2个先导安全阀串联安装组成的安全阀组共计3组，安全阀组实物图见图1所示。这两个先导安全阀是装在阀组上游的提供卸压功能的保护安全阀和装在阀组下游的提供隔离功能的隔离安全阀[6，7]。机组正常运行工况下，保护安全阀呈关闭状态，隔离安全阀呈开启状态[8]。保护安全阀开启再关闭失效时，为保护一回路系统正常运行压力，防止RCP系统进一步卸压，隔离安全阀自动关闭[9]。

图1 安全阀组实物图Fig.1 Safety valve group installation diagram

RCP系统SEBIM安全阀组及整定压力见表1。

按照下表2，迁移六通道记录仪的量程，对应六个SEBIM阀阀杆位移信号。

RCP系统3组稳压器安全阀组对应的阀杆位移要求和排水量期望值见表3，开启和关闭时间要求期望值见表4。

表1 RCP SEBIM安全阀组及整定压力Table 1 RCP SEBIM safety valve and setting pressure

表2 RCP SEBIM安全阀量程Table 2 RCP SEBIM safety valve range

表3 RCP SEBIM安全阀阀杆位移和排水量Table 3 RCP SEBIM safety valve stem shifting and water discharge

表4 RCP SEBIM安全阀开启关闭时间Table 4 RCP SEBIM safety valve opening and closing time

1 SEBIM安全阀结构原理

每个SEBIM安全阀组均由保护安全阀、隔离安全阀、先导阀和控制系统组成[10，11]，保护安全阀和隔离安全阀统称为主阀，安全阀组结构如图2所示。控制系统通过脉冲管线和动力管线与系统和主阀相联接，通过脉冲管线探测系统压力，经过先导控制单元和动力管线控制阀头活塞压力，用以控制主阀的开启和回座。

图2 安全阀组总结构图Fig.2 Relief valve group schematic diagram

1.1 主阀结构

构成主阀的金属部件均为不锈钢材料，主要包括阀体、阀瓣、鳍形筒、阀头和活塞[12]。阀体内含喷嘴阀座，对于保护阀，自由状态下阀瓣与阀座密封面之间为闭合状态；阀瓣带有平衡背压作用的波纹管；鳍形筒为阀杆提供导向，并带有起散热作用的翅片；阀头和鳍形筒共同构成阀头腔体，探测动力管线压力；活塞随阀头压力变化控制阀杆移动，实现阀门的开启和回座。主阀的结构图如图3所示。

图3 安全阀组总构图Fig.3 Main valve schematic diagram

1.2 先导控制阀结构

先导阀在安全阀组中行使压力敏感和控制元件的作用。具有传动杆及调节开启压力的弹簧、弹簧座及弹簧调节装置。在弹簧上部传动杆上带有一个先导活塞,活塞腔与设备用脉冲管连通,活塞的上下移动受一回路内的压力控制。

先导控制阀R1/R2的设计、制造工艺及工作原理等方面完全相同，可相互替换使用，由于R1和R2分别安装于控制柜中的不同管路中，赋予不同的功能，所以分别用R1和R2加以区分，可以简单将先导阀R1/R2理解为单向球芯可控逆止阀。

先导控制阀R1/R2的特点是控制阀的自由状态为关闭状态，在弹簧弹力的作用下将阀芯压在阀座上，使控制阀自由状态处于关闭状态。此时，如果控制阀的进口存在带压的流体，在复位弹簧弹力和液体压力的双重力作用下将阀芯紧紧的压在阀座上，从而使阀门控制阀关闭得更严密。

当控制柜中的控制杆在一回路压力的驱动下移动时，固定在其上的控制板触动并按压控制阀的触头并使之移动，这个位移经传动杠杆推动开启顶杆，从而使开启顶杆开始位移，开启顶杆克服复位弹簧的弹力和液体压力将阀芯顶离阀座，控制阀则被打开。流体从控制阀的进口流入，经进口紊流筒均匀流过已打开的阀座，最后经出口紊流孔板流出控制阀出口。

先导控制阀R1/R2主体结构图如图4所示。

图4 先导控制阀(R1/R2)结构图Fig.4 Pilot control valve(R1/R2)schematic diagram

2 SEBIM安全阀自主化检修

我国第一台商业运行的大亚湾核电站就已在稳压器安装使用SEBIM安全阀。最初，SEBIM安全阀的全部维修活动都是由安全阀制造厂家独立完成的，成本高，响应慢，难以满足核电站机组现场突发事件的安全性和技术性要求。为了保障机组运行安全，占据设备检修和维护的主动权，经过不懈努力，核电站实现了SEBIM安全阀检修的自主化。核电站SEBIM安全阀检修包括预防性维修和纠正性维修。

2.1 SEBIM安全阀预防性维修

SEBIM安全阀的预防性维修是根据预防性维修大纲，按照确定的预防性维修计划和维修程序、细则等对安全阀实施维修，一般特指SEBIM安全阀在核电站机组停堆大修期间的预防性维修工作[14]。SEBIM安全阀的预防性维修是其正常运行的关键，维修内容包括阀门及控制柜的解体检查、充水排气、离线压力整定和在线可用性验证等试验[13][15]。

2.2 SEBIM安全阀纠正性维修

SEBIM安全阀的预防性维修和纠正性维修是相辅相成的，大修期间的预防性维修质量直接决定了设备的运行质量。随着维修技术水平和预防性维修质量的不断提高，SEBIM安全阀在试验和运行期间的突发事件逐渐减少，但是设备自身固有的机械故障不能完全避免，所以纠正性维修是被动的。一般将纠正性维修过程划分为故障诊断、临时处理、计划准备、最终修复和再鉴定试验等。

稳压器SEBIM安全阀在运行过程中发生的常见故障包括先导控制阀R1/R2泄漏故障和可用性试验水耗量超标问题，另外还包括针阀泄漏和控制柜开关压差ΔP不稳定现象等偶发性故障。

2.2.1 SEBIM先导控制阀R1/R2泄漏故障

根据故障发生时先导控制阀R1/R2所处的不同工况，将泄漏故障主要分为压力标定试验时发生泄漏和安全阀开启动作试验时发生的泄漏两类。

(1)压力标定试验时发生泄漏

泄漏主要集中在进行压力标定时发生并使所做记录的图形出现偏差，多数情况可以通过试验台的高压水突然释放的方法(手动压按R2达到同时对R1和R2进行冲洗的处理)。

先导控制阀的这种渗漏是由于控制阀的阀芯和阀座的线形密封面上有细小的杂质存在所致，说明这种密封形式是比较容易出现轻微泄漏，为了避免细小杂质的存在，在过滤罐中特别设计两道40μ和9μ的滤网。同时也要极认真对待所有要经过R1和R2控制阀的水质情况和零部件的清洁情况，以避免这种泄漏，或尽量避免由于这种杂质对控制阀密封面的损伤而使R1和R2不可用。

(2)安全阀开启动作试验时发生泄漏

关于此类泄漏的成因比较复杂，常见的情况与在压力标定试验阶段所发生的泄漏情况相同，这种情况也是出现最多的一种故障，不会对控制阀R1和R2的功能产生影响，解决措施也与压力标定试验时发生泄漏相同。另一种情况是由于阀门长期处于开或关状态下，控制阀R1或R2开状态造成密封面存在细小杂质或极轻微的硼晶所致，这种泄漏多数集中在隔离阀中，它容易造成R1和R2密封性降低。如果发生泄漏故障处理不及时，会危及整个控制柜可用性。

(3)先导控制阀泄漏故障处理措施

针对先导控制阀这两类常见泄漏故障，首先应强行开关阀门数次，尽量使R1和R2密封面上的异物被冲走，恢复其密封功能；如果处理无效，用特殊方式将控制板旋动，使R1和R2同时关闭进行密封，以避免汽凝罐内水流光，导致高温水和蒸汽流出而损坏R1和R2以及控制柜其它部件；然后逐一检查并确保R1和R2的密封性完好的情况下恢复控制板的位置。

在实际开展维修工作过程中，要进行先导控制阀泄漏故障的原因分析，必须首先了解和掌握其工作原理和机械结构，对于压力标定试验时发生泄漏和安全阀开启动作试验时发生的泄漏两种情况，结合其在核电厂中实际的运行工况和环境，进而分析其产生泄漏故障的根本原因并采取相应的控制措施。

2.2.2 可用性试验水耗量超标问题

由于余热排出系统RRA和化学和容积控制系统RCV可用性试验中水耗量只是参考标准，耗水量超标问题只在反应堆控制系统RCP SEBIM安全阀开启试验时发生，即在RCP系统处于25bar，180℃时工况下需要对稳压器安全阀进行在线动作试验，在各阀门动作后，从其控制柜排水管口处测得的各耗水量值有时会超出标准值范围。

(1)水耗量的形成

当保护安全阀关闭时，R1打开，R2关闭，从主阀上部到R2之间的管道线路充满水，通过R1与一回路连通而维持等压。当实施安全阀动作试验时，先将R1关闭，再将R2打开，主阀体活塞室外的压力卸压，一回路压力推动活塞将水排出至集水漏斗，排出的水量称为阀门开启时的水耗量[2]。

为保证稳压器安全阀阀组的稳定性和可靠性，需定期地对其进行各种检查和试验，以验证各项指标均在技术规范要求之内，水耗量就是诸多标准之一。

(2)克服水耗量超准的措施

针对稳压器SEBIM安全阀在可用性试验中水耗量的超标问题，在维修过程中，首先确保注水排气工具的密封性，避免由于工具问题将空气带入管线和主阀活塞室内，其次确保反应堆硼和水补给系统REA的水中是否含有大量不溶气体，注水排气时要注意REA水质的情况，如果呈乳白色则是水中含大量不溶性气体，进行注水排气时，应严格按照维修操作程序进行操作并注意水排情况。

水耗量测试是验证安全阀在技术规范中的各项技术指标，目的是通过另一种途径验证阀门开启的一种手段。如果安全阀动作时耗水量超出标准，则会对验证阀门开启的试验产生困难。

2.2.3 其他常见故障

先导控制阀内漏和水耗量超标问题是影响SEBIM安全阀可用性的重要故障。此外，还有一些较为常见的故障，例如针阀泄漏问题和控制柜开关压差ΔP不稳定现象等。

(1)针阀泄漏

SEBIM安全阀主要用于稳压器超压保护和一回路压力保持，但是在核电站内其他管路也会少量使用SEBIM安全阀，也会发生类似的泄漏等故障。对于针阀的泄漏，最初处理方法是紧固针阀，但未能够解决，然后再安装加工的丝堵，消除了外漏。解体检修时发现针阀作为阀瓣的滚珠已经严重破裂，经分析认为可能的原因为紧固力矩过大，导致滚珠破裂或水质不合格，使滚珠产生应力腐蚀。

针对针阀泄漏问题的经验反馈，防止后续工作中出现此类共模故障，一是在解体检修时，首先目视检查阀门密封面(包括滚珠和针阀座密封面)，在检查滚珠密封面时，应手动滚动滚珠，查看所有的球面，如发现问题，立即更换；二是安装针阀时，在针阀滚珠表面薄薄地涂一层润滑油；三是用超声波清洗零件后，再用丙酮清洗，去除可能存在的能够引起应力腐蚀的杂质元素；最后应严格控制阀门安装力矩。

(2)控制柜开关压差ΔP不稳定现象

在安全阀控制柜进行解体检修后，为验证控制柜的性能稳定，必须进行至少10次(目前一般是30次)的循环压力整定，观察开关压差ΔP的稳定性。试验时，有时会发现ΔP也会随着试验次数的增加而增加，而且不会稳定于一个值，甚至在第一次压力整定就发现ΔP过大；在进行例行压力整定时，有时在没有进行过解体检修的控制柜上发现开、关压力和上次大修时数值相差较大。

经分析研究发现此类问题的可能原因主要有安装控制柜探测单元时，各零部件同心度不一致、探测头活塞底部沉孔和控制杆端头对中不准确、第一道BAL-SEAL密封性不严密、由于磨损，使两道BAL-SEAL的导向效果较差等。

针对压差ΔP不稳定现象，在控制柜维修过程中使用有效的控制措施，包括利用平板、V型铁和百分表检查控制杆和弹簧的直度；检查确认活塞底部沉孔为圆球面，而不是锥面形状；检查确认活塞外表面和套筒内表面是否有划痕，如果有划痕，则需立即进行更换；安装活塞前，用控制杆和活塞进行对接，确认结合和润滑良好；紧固弹簧机构时分多次对角均匀紧固螺栓，用盖板校验平行度。

针阀泄漏问题和控制柜开关压差ΔP不稳定现象是在安全阀检修过程中发现的较为典型的故障，针对其检修的原因分析和处理措施是在检修实践和经验反馈中不断总结积累的分析和总结。除此之外，还有为安全阀提供密封功能的密封垫或密封圈发生的泄漏现象等。