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核电厂闸阀锅炉效应的危害与防治
来源:阀门标准(阀门书店) 作者:阀门标准编辑部 发布时间:2013-1-15 8:38:07 点击量:
核电厂闸阀锅炉效应的危害与防治
 
张佳辉
( 国家核电技术公司,北京 100029 )
摘要:论述了核电站用阀门锅炉效应的危害及其产生的机理。结合阀门的功能结构、核电厂的运行以及事故工况、概率安全分析和利益代价比分析等因素,给出待改进阀门的判断方法。针对阀门的不同情况,提出了相应的改进方案。以大亚湾核电厂和岭澳核电厂为实例,介绍了防治阀门锅炉效应的良好实践。
关键词:核电站用阀 闸阀 锅炉效应
 
1 概述
锅炉效应是一种由于原始设计缺陷而导致的共模故障,它可以引起核电厂的某些闸阀拒开或者密封性受到破坏,对于一些与核安全相关的安全壳隔离阀,由于阀门故障而引起第三道屏障破坏或安全注入系统不可用,导致堆芯损伤的频率增加。因此,必须对这一现象进行研究,针对那些受到锅炉效应影响的阀门进行分析确认,并制定相应的改进方案予以防治。
1991年3月,法国BUGEY核电站5号机组在进行安全壳隔离阀的密封性试验时,发现安全壳喷淋系统的某个电动闸阀因故障无法开启。法国电力公司(EDF)经过相关调查分析发现,故障的根本原因为阀门的原始设计缺陷引起的,这促使EDF对其所有900/1300MW机组的核岛部分近200个闸阀进行了分析和研究。研究主要包括闸阀功能,正常运行和事故状态下运行的工况分析等,用于确定闸阀与贯穿件相对位置的等轴图,模型试验、潜在的后果和风险分析等。分析确定,某些处于关闭状态的闸阀会因为受到锅炉效应的影响而导致其无法开启或密封性失效。在岭澳核电厂2号机第3次换料大修时,维修人员也在现场发现由于锅炉效应导致阀瓣严重变形的情况。
2 锅炉效应机理
锅炉效应本质上是一种温度压力效应(图1)。某些热源会加热处于关闭状态的闸阀内部空间,使阀腔压力异常升高。当阀腔压力超过闸阀高压侧压力时,闸板的上下游密封面同时紧靠在两个阀座上,开启闸阀就需要同时克服闸板与两个阀座间的摩擦力。但是,闸阀驱动装置的开启力矩设计只考虑低压侧闸板与阀座间的单侧摩擦力,因此闸阀驱动装置的开启力矩小于实际所需力矩,此时闸阀无法正常开启。当阀腔压力继续升高到超过闸阀的设计压力时,将导致闸板和阀座甚至阀体产生变形而无法保证阀门的密封性。
图1 锅炉效应原理
 
产生锅炉效应的加热源可分为直接热源和潜在热源。
(1)直接热源
对于靠近运行温度高的系统(如RCP和RRA系统)且处于常关位置的隔离闸阀,热传递使得闸阀内部空间的液体受到加热而产生锅炉效应,影响了阀门的密封性和开启功能。
(2)潜在热源
对于某些需要执行安全功能的闸阀,如在发生一回路冷却剂丧失事故(LOCA)或主蒸汽管道破裂事故(MSLB)时,安全壳内局部环境温度异常升高,此时某些位于该环境的闸阀内部空间受到加热而出现锅炉效应,导致阀门不能开启而无法执行安全功能。
3 需改进闸阀的确定
由于核电厂闸阀的原始设计并没有考虑锅炉效应的影响,因此需要采取措施进行改进。然而,并不是所有的闸阀都需要进行防止锅炉效应的改进,应综合阀门的结构、功能、正常运行和事故工况,阀门与贯穿件的相对位置,概率安全分析,经济效益分析等因素,最终确定需要改进的阀门(图2)。
3.1 阀门结构
首先,根据阀门结构确定需改进的阀门类型。
(1)带楔块平行双闸板闸阀(W型)
带楔块平行双闸板闸阀的公称尺寸≤DN150时,锅炉效应不影响其密封性。对于压力为150lb,≤DN350的所有不锈钢闸阀,锅炉效应也不影响其密封性。其他磅级和尺寸的闸阀,必须考虑和分析锅炉效应导致其内漏的风险。
带楔块平行双闸板闸阀的闸板相对细长(厚度与直径比小),所以大直径的闸板(>150mm)受压力变形相对比小直径闸板变形量大。对于直径压的降低从而缓解了锅炉效应的后果。但是150lb系列不锈钢阀门的阀体与阀盖连接法兰柔性好,可保护闸板(包括大直径闸板)。
图2 需改进阀门的判断流程
(2)弹性闸板闸阀(C型)
弹性闸板闸阀的公称尺寸>DN150时,锅炉效应不影响其密封性。对于DN150的闸阀,必须逐个分析锅炉效应对其密封性的影响。对于<DN150且压力等级为1500lb的闸阀,锅炉效应不影响其密封性。其他磅级和尺寸的闸阀在锅炉效应情况下存在较大的阀座屈服变形。
(3)带弹簧平行双闸板闸阀(V型)
带弹簧平行双闸板闸阀的公称尺寸为DN150~DN600(包括600),压力为PN16时,锅炉效应不影响其密封性,其他情况下必须考虑和分析锅炉效应的风险。
3.2 阀门功能
根据阀门的实际功能,确定潜在需改进的阀门。工作于安全壳内或安全壳外靠近贯穿件,正常运行时关闭事故工况下开启的阀门,或需要保证密封性以执行安全壳隔离功能的阀门,可能是需要改进的阀门。
3.3 综合分析
结合概率安全分析和技术经济分析,确定所需改进的阀门。
建立PSA模型,计算阀门在不同的失效参数下,对堆芯损伤频率的影响。利用效益代价比的方法对潜在需要改进的阀门进行分析(图3),即根据安全效益与成本性价比情况确定需要改进的阀门。
图3 安全效益与改进成本的关系
4 改进方案
由锅炉效应的机理可知,当阀腔压力超过闸阀高压侧压力时,闸板两个密封面同时紧靠在高、低压侧两个阀座上,导致阀门无法开启或密封性受到影响。因此改进的基本原理就是将阀门的阀腔卸压,使得阀腔内的压力恢复至阀门高压侧的压力。
(1)在阀门高压侧的闸板上钻孔(图4a)。该方案简单有效,适用于仅需保证单侧(低压侧)密封性的阀门。
(2)在阀门的阀体和高压侧的阀座上各钻一个孔,加装一个带有隔离阀的旁路管线(图4b)。该方案同样适用于仅需保证单侧(低压侧)密封性的阀门,旁路隔离阀在验证阀门密封性的打压试验时关闭。
(3)在阀门的阀体和高压侧的阀座上各钻一个孔,加装一个带有弹簧标定止回阀的隔离阀的旁路管线(图4c)。该方案适用于位于安全壳外侧易受到锅炉效应影响的阀门,在通常情况下可以保证单侧(低压侧)密封性,设置弹簧标定的止回阀是为了在电动阀开启时不破坏安全壳隔离时的密封性。
(4)在阀门的阀体和上、下游的阀座上各钻一个孔,加装一个带有双向止回阀和两个手动隔离阀的三通阀组和旁路管线(图4d)。该方案适用于需要保证双向密封性的阀门,该情况下阀门的上游压力既可能大于下游压力,也可能小于下游压力,因此设置了三通止回阀以实现双向密封的功能,两个隔离阀在正常时开启,在进行阀门整体打压试验时关闭。
图4 改进方案
5 应用实例
大亚湾核电站和岭澳核电站的原型机组为法国M310堆型,核级闸阀的原始设计并没有考虑锅炉效应的影响。在EDF研究试验结果和经验反馈的基础上,结合实际情况,确定了每台机组有10个闸阀受到锅炉效应的影响。经过现场调查和技术分为PTR022VB、RIS063VP和RIS064VP。
5.1 PTR022VB改进
岭澳核电站二号机组在第三次换料大修时阀门PTR022VB开启费力,经阀门解体发现阀瓣产生严重变形,水平度和光洁度已不能满足功能要求,并且阀瓣的一些部位出现较为严重的腐蚀。
PTR022VB是反应堆和乏燃料水池冷却和处理系统(PTR)作为余热排出装置(RRA)备用的安全壳内侧手动隔离阀。正常运行时,PTR022VB保持关闭。PTR代替RRA运行时,PTR022VB保统的一回路冷却剂通过热传导加热PTR022VB阀腔内部的冷水,引起锅炉效应的产生,进而导致PTR022VB无法开启,PTR备用功能丧失。此外,PTR022VB在发生假想的LOCA事故或MSLB事故时,120℃的再循环喷淋水会加热阀腔而产生锅炉效应,导致阀门的密封性受到破坏,放射性物质有可能突破第三道屏障向外泄漏,因此必须进行防止锅炉效应的改进。
由于PTR022VB仅需要保证靠近PTR一侧的密封性,因此采用在阀瓣上钻孔的方案,即在PTR022VB靠近RRA一侧的阀瓣上钻一个直径为2mm的孔,以连通阀腔和上游高压侧(RRA侧)。实施改进后,PTR022VB运行状况良好,再无锅炉效应发生。
5.2 RIS063/064VP改进
RIS063/064VP是安全注入系统的安全壳外侧电动隔离阀,正常运行期间保持关闭并处于稳定的常温状态。当发生某些设计基准事故(如LOCA事故),安全注入系统进入长期再循环工况时,120℃的地坑再循环硼水会加热RIS063/064VP内部阀腔,使其压力异常升高而出现锅炉效应,导致阀门无法开启。经过概率安全分析,RIS063/064VP因锅炉效应拒开而导致的堆芯损伤几率可达到5.15E-6堆/年,因此实施RIS063/064VP防止锅炉效应的改进对于核安全的保证是十分必要的。
RIS063/064VP应避免安全壳内放射性物质向安全壳外的泄漏,同时也应避免在反应堆停堆一回路开口运行模式下,PTR水箱的硼水通过安全注入系统热端向一回路的泄漏。为实现阀门的双向密封,在RIS063/064VP阀体和上、下游的阀座上各钻一个孔,加装一个带有双向止回阀和两个手动隔离阀的三通阀组和旁路管线,连接阀腔与阀门上下游。RIS063/064VP实施改进后,运行状态良好。
6 结语
锅炉效应可以引起核电厂闸阀超压而无法开启,或密封性受到破坏。通过对大亚湾核电站和岭澳核电站实际情况分析,并采取相应的改进措施防止了锅炉效应的发生,保证了闸阀在系统中的正常运行。
 
 
参考文献
[1] 张佳辉,《阀门》,沈阳阀门研究所,2011年(6)
 
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