AP1000主蒸汽安全阀在线校验技术分析

吕 闯，赵立怀

（中电华元核电工程技术有限公司烟台分公司，山东烟台 265100）

0 引言

主蒸汽安全阀作为核电站关键设备，为蒸汽发生器和主蒸汽系统提供超压保护，能有效防止蒸汽发生器与主蒸汽管线的压力超过设计限值，保证二回路压力边界的完整性。目前，三门、海阳AP1000 核电站1#、2#机均配有12 台主蒸汽安全阀，对称布置在2 条主蒸汽管线上。

根据ASME OM 分卷强制性附录I 的要求，主蒸汽安全阀需要在首次临界前6 个月内进行校验，每间隔24 个月需要至少进行20%的阀门监督，且所有主蒸汽安全阀至少需要每5年校验一次，以验证安全阀功能的可靠性，确保核电站安全、稳定运行。

主蒸汽安全阀校验可以分为在线校验和离线校验，其中在线校验还可以分为实跳和借用辅助装置校验2 种。下面将重点介绍AP1000 主蒸汽安全阀借用辅助装置（HSPD）在线校验技术。

1 AP1000 主蒸汽安全阀及校验装置

三门、海阳AP1000 核电1#、2#机组的主蒸汽安全阀是由美国TYCO 生产的8T 10*10 HA-75-FN B 型安全阀，属于核安全二级设备，安装在蒸汽发生器与主蒸汽快关隔离阀之间的管线上。每条主蒸汽管线上有6 台，用于主蒸汽管道及蒸汽发生器在瞬态或事故情况下的超压保护，防止蒸汽发生器与主蒸汽管线的压力超过设计压力的110%，保证二回路压力边界的完整性。

AP1000 主蒸汽安全阀在结构上属于全启式弹簧加载安全阀，采用嵌入式弹性阀芯，其特点是在阀瓣与阀座之间产生弹性密封，可以有效延迟前泄，并使阀芯、阀座的受力均衡以实现更好的密封效果。阀座与阀瓣上配有上、下调节圈，可以实现精确的起跳与回座，其基本动作原理与全启式弹簧加载安全阀相同。

由于AP1000 模块式安装设计特点，12 台主蒸汽安全阀被分别布置在12404 和12406 房间内（图1）。房间内设备布置较为紧凑，检修空间有限，给安全阀离线校验带来一定难度。

AP 1000主蒸汽安全阀在线校验装置（HSPD）由美国T YCO 提供，属于专用工器具，由液压缸组件、联轴器、支架、手动液压泵、压力显示装置组成（图3）。压力显示装置分为机械式压力表和数显压力表2 种，前者的误差范围为±0.25%，后者的误差范围为±0.1%。工作时，手动液压泵提供动力源，通过油压使液压缸活塞产生运动，从而通过联轴器带动阀杆动作，克服弹簧弹力，实现安全阀起跳（图3）。

图1 单列主蒸汽安全阀厂房布置效果

图2 HSPD 校验装置

2 在线校验原理

2.1 安全阀动作原理

AP1000 主蒸汽安全阀是一种弹簧加载直接作用式安全阀，其基本原理是介质压力克服弹簧弹力使阀门开启，介质压力低于起跳压力时依靠弹簧弹力密封。

系统运行时，安全阀入口压力低于整定压力，阀瓣在弹簧力的作用下压在阀座上处于关闭位置，此时作用在阀瓣上的弹簧力Fs=FN+Fseal。其中，Fs为弹簧力，与弹簧压缩量有关，在系统与环境温度不变的情况下，是一个定值；FN为介质作用在阀瓣上的力，是介质压力p 与安全阀阀瓣有效密封面积As的乘积；Fseal为保证安全阀有效密封的密封力，是弹簧力Fs与FN之差。

系统正常运行时Fseal＞0，此时系统压力低于整定压力，也就是弹簧力大于介质作用在阀瓣上的力；当系统压力接近或大于安全阀的整定压力时，弹簧力接近或小于介质作用在阀瓣上的力，Fseal≤0，此时安全阀起跳；蒸汽排放后，系统压力重新下降到整定压力以下，此时介质作用在阀瓣上的力低于弹簧，阀门关闭。

2.2 在线校验原理

安全阀在线校验的原理就是在系统在线的情况下，用外加力将安全阀强制开启，从而测量其开启压力，根据上面安全阀动作原理的公式可得安全阀在线校验的公式：Fs=FN+Fseal+Fh。其中，Fh液压装置提升力。

利用安全阀验装置校验时，系统压力远低于整定压力，这时利用液压装置提升阀杆来克服一部分的弹簧力。缓慢增加液压装置提升力，当FN与液压装置提升力Fh之和等于弹簧弹力时安全阀起跳，此时液压装置提升力Fh换算后的压力值与系统压力之和就是安全阀真实整定压力值（图3）。由此可知，AP1000主蒸汽安全阀在线校验的关键是获得准确的液压装置提升力，并将其转换成对应的压力值。

图3 在线校验受力分析

3 在线校验过程介绍

执行主蒸汽安全阀在线校验需要机组处于运行模式3（热备用），主蒸汽母管压力稳定在7.24 MPa，厂房内环境温度需要在10～54.4 ℃。为了保证在线校验期间系统压力的稳定性，2列蒸汽母管只能有1 列进行在线校验工作，每台阀门校验时间间隔在20 min 以上。

工作组成员由5 人组成（其中至少1 人具备安全阀校验资质），1 人总体负责该项工作的指挥和协调，2 人在现场就地进行校验，1 人在厂房外监视安全阀动作及密封试验时的泄漏情况，1 人在主控室记录蒸汽母管压力。校验前要进行风险分析并制定预防措施方案，确保校验过程中人员和设备的安全得到有效防护。

表1 主蒸汽安全阀标准整定压力值 MPa

具体校验步骤如下：

（1）仪控人员配合拆除安全阀顶部位置反馈开关。

（2）拆除安全阀上部保护罩。

（3）组装安全阀在线校验装置（HSPD）。

（4）校验前要记录系统当前压力值P0，参考阀门编号选择阀门标准整定压力值P1，计算出P1与P0的差值ΔP=P1-P0。

（5）根据ΔP 值选择在线校验装置提升压力Pt。

（6）按动手动液压泵，缓慢升压至80%Pt，然后以非常缓慢的速率提升压力，直至安全阀起跳后迅速卸掉在线校验装置内液压，使安全阀回座，并记录压力显示装置的压力值Pt1。

（7）如果Pt=Pt1，则整定压力合格；如果Pt＞Pt1，则整定压力不合格，需要调整。

（8）如果整定压力不合格，则需要调节调整螺母位置调节整定压力值。

4 结语

AP1000 核电站设备布置较为紧凑，主蒸汽安全阀现场检修空间狭小，安全阀离线校验消耗人工时较大。目前国内压水堆核电站不具备离线热态校验的条件，而离线冷态校验误差较大，所以AP1000 主蒸汽安全阀在线校验技术得到认可和使用。与离线校验和实跳相比，AP1000 主蒸汽安全阀在线校验技术具有如下特点：

（1）与主蒸汽安全阀实跳校验相比，对系统设备危害较小，且安全性更高。

（2）与离线校验相比，有效降低了设备解体、运输、校验带来的人工时成本。

（3）无需停堆，在机组热备用状态即可执行。

（4）起跳压力是通过间接计算而来，受校验装置误差影响，与真实值存在偏差。

（5）受现场条件制约，无法准确测量安全阀在密封压力下的泄漏率。

（6）起跳后阀体内异物可能夹杂在密封面处，造成密封面损伤。