“华龙一号”安全壳隔离阀的阀腔打压密封性试验方法

田齐伟,刘 勇,尚 臣,孙 涛,高 超,张兆霖

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

核电厂安全壳作为包容放射性物质的第三道安全屏障,在事故工况 (例如:失水事故或二回路蒸汽管道破裂事故)下用来承受安全壳内压,限制放射性产物向安全壳外的泄漏。在正常运行期间,对反应堆冷却剂系统的辐射提供生物屏蔽,并限制被污染的气体泄漏到安全壳外。同时,安全壳的某些物项还用来保证正常运行期间的人员出入,以及安全壳内外设备的机械和电气连接。

安全壳隔离阀作为安全壳的重要组成部分,用于实现事故工况下贯穿安全壳的工艺管道的隔离。安全壳隔离阀的局部密封性,对于保证安全壳的整体泄漏率满足设计要求至关重要。本文给出一种区别于常规安全壳隔离阀密封性试验方法的阀腔打压试验方法,以最大程度上满足 “华龙一号”装料前的调试及正常运行期间的定期试验需求。

1 安全壳泄漏率试验

“华龙一号”的反应堆厂房采用双层安全壳结构,内层安全壳是包容核蒸汽供应系统的主要物项,在所有可以想象的情况下提供对环境有效的防护,外层安全壳则在厂址出现龙卷风飞射物、外部爆炸以及轻型飞机撞击等其他外部事件时,为内层安全壳提供屏蔽作用。

为检查安全壳建造质量和评价在事故工况下泄漏的风险,在电厂建造完成后的调试期间及寿期内的定期试验期间均需对安全壳的密封性进行检查,以保证泄漏率不超过设计要求。“华龙一号”安全壳相关试验包括[1]:

(1)内层安全壳局部试验

1)B类试验:测量通过安全壳特定贯穿件(设备闸门、人员闸门、燃料转运通道、电气贯穿件等)的局部泄漏;

2)C类试验:对安全壳隔离阀加压进行的局部密封性试验。

(2)内层安全壳整体试验

A类试验:对安全壳承压边界加压以测量安全壳的整体泄漏率,并在此期间进行强度试验。

(3)外层安全壳泄漏率试验

测定外层安全壳的泄漏率。

核电厂投入运行后,这些试验要定期进行。在可能发生的事故后,也可能要进行试验,以检验修复工作的质量。

2 常规安全壳隔离阀密封性试验方法

安全壳隔离阀的密封性试验,属于C类试验范畴。针对安全壳隔离阀的密封性试验,单层安全壳和双层安全壳结构没有本质上的区别,该试验涉及安全壳内、外两侧所有贯穿件的隔离阀。常规安全壳隔离阀密封性试验方法从原理上可分为 “流量补充法”和 “压力下降法”两种方法,如图1所示。

上述常规方法的试验要求如下[2]:

1)试验在室温下进行;

2)以空气或水为工质,对阀门加压至安全壳设计压力;

3)当阀门装有远距离操作装置时,被试验阀门的关闭不应附加其他任何特别的操作;

图1 安全壳隔离阀密封性试验的常规方法Fig.1 Conventional leakage test method f or contain ment isolation valve

4)加压方向与阀门执行其安全功能的承压方向一致,除非能够证明反向加压具有等同的效果。

采用常规方法时,需在被试验阀门上游和下游管道设置试验接口,同时要求在阀门所在工艺管线上游设置隔离边界。“流量补充法”通过维持被试验阀门上游隔离边界 (V1和V3之间)内压力恒定,测量通过阀门 (t2)的流量大小确定泄漏率;“压力下降法”则要求在被试验阀门隔离边界 (V1和V2之间)内充以一定初始压力的气体,一段时间后通过测量隔离边界内物理参数的变化确定泄漏率的大小,该方法一般用于支管线及壳外隔离阀密封性的测量。

《核电厂安全壳密封性试验》(NB/T 20018—2010)[2]中,对于C类试验,方法上并没有强制性的要求,试验可以采用常规方法或具有等同效果的其他方法。但现场调试或定期试验执行过程中,发现常规方法在应用过程中存在如下的缺陷:

1)两道安全壳隔离阀之间布置管道的试验,增加了第三道安全屏障的额外开口;

2)由于需在被试验阀门所在工艺管线上设置隔离边界,试验时需要同步考虑其他试验项目对每一个边界阀门的占用情况;

3)在实际应用中存在被试验阀门所需的隔离边界范围很大,导致试验结果准确性不高的情况。

因此,现场调试或定期试验过程中,需要一种新的安全壳隔离阀密封性试验方法,对常规方法进行优化和补充。

3 安全壳隔离阀的阀腔打压试验方法

3.1 方法介绍

阀门工艺设计中,因担心阀腔内堆积填料碎屑,大多会在阀体上设置一个用于填料吹扫的阀根吹扫孔。正常情况下,吹扫孔通过螺纹型式密封,在需要吹扫时,将螺栓取出并通过压缩空气对阀腔进行吹扫,吹扫完成后更换垫片,然后通过螺纹密封。阀体上的吹扫孔为阀腔打压的隔离阀密封性试验方法提供了试验接口。

图2 闸阀结构图Fig.2 Structure of a gate valve

阀腔打压的试验方法以阀体中腔为承压边界,加压管线连接到吹扫孔上,将试验压力引入到阀体中腔内,对阀门进行密封性试验,如图2所示。通过维持阀腔内的压力恒定 (安全壳设计压力Pc),测量加压管线上的注入流量测量泄漏率。阀腔打压的试验方法符合常规方法中的温度、介质及阀门操作的要求。对于加压方向,由于采用阀腔打压时,试验工质在阀体中腔中,对于阀门的下游密封面而言,试验过程中的试验介质加压方向与常规方法一致,即与阀门执行其安全功能的承压方向一致。因此,相对于右侧密封面,阀腔打压的试验方法,加压方向与常规方法并没有区别,且相对与常规方法阀腔打压具有如下优势:

1)试验过程中,以阀门中腔为承压边界,不需要其他隔离阀作为上、下游边界,不影响其他类型试验的进程;

2)不需设置隔离边界,试验所需时间大为缩短;

3)从防止放射性物质向安全壳外释放的角度而言,隔离阀密封性试验应包含对阀门外漏的检查,常规方法在上游密封面良好的情况下无法检查阀门本体的泄漏,而阀腔打压的形式包含了对闸阀阀体及上下游两个密封面的检查;

4)常规方法测得的泄漏率为试验阀门及隔离边界内工艺管线的总泄漏率,阀腔打压测得的泄漏率则为阀门本体的泄漏率,试验结果更为保守。

从可实施性角度而言,阀根吹扫孔的存在为阀腔打压的隔离阀密封性试验方法提供了接口。但相对于常规方法中闸阀一侧密封面的密封性完好即可保证试验结果满足要求,阀腔打压对阀门的制造工艺要求更为严格,阀门两侧密封面均要求具有良好的密封效果,才能保证阀腔打压试验方法的顺利实施。

3.2 验收准则

安全壳隔离阀密封性试验的验收准则与所采用的试验方法无关,采用阀腔打压对隔离阀进行密封性试验与常规方法的验收准则相同,均遵循RCC-M[3]及RCC-G中对于阀门及安全壳中C类试验相关的验收准则要求。

在安全壳设计压力下,安全壳隔离阀的实测总泄漏率限值为安全壳整体泄漏率的50%,对于双层安全壳结构,此准则值针对内层安全壳的整体泄漏率。对于单体阀门试验的最大允许泄漏率如下:

1)水压试验:Q≤0.1 Nc m3· (mm·h)-1阀门公称直径;

2)气压试验:Q≤15.7 Nc m3· (mm·h)-1阀门公称直径,对于某些通风系统的安全壳隔离阀,此准则值为19.7 Nc m3· (mm·h)-1阀门公称直径。

3 .3 应用实例

“华龙一号”堆型的安全壳喷淋系统 (CSP)和安全注入系统 (RSI)设计中,为提高系统的可靠性,每个系列仅在内置换料水箱 (IRWST)与泵连接的管道之间设置了1台电动隔离阀,此隔离阀设置在安全壳外,用以实现安全壳隔离功能。由IRWST向安全壳隔离阀的管道外面套有密封的同心护管,设有密封件使密封套和护管内腔不能与IRWST或安全壳内大气直接连通。

以安全壳喷淋系统为例,由于换料水箱内置,正常运行工况下IRWST内为 (2400±100)mg/L的硼酸溶液,如图3。采用常规方法测量013/014 VB的密封性时,需将IRWST内的硼酸溶液排空,拆下过滤器,并在管道入口处焊接临时盲板,加压管线则接在临时盲板上,通过维持盲板与013/014 VB之间的压力恒定,由115/116 VB处分别测量013/014 VB的泄漏率。针对013/014 VB采用常规方法测量泄漏率时会产生如下问题:

1)每次测量要求排空IRWST内的硼酸溶液,但由于存在死区,硼酸溶液无法完全排空;

2)试验前要求焊接临时盲板,并在试验后切除,操作复杂,工作时间长,且焊接过程中产生的碎屑可能进入管道,从而使管道无法有效清洁;

3)若是事故后对隔离阀密封性进行检查,IRWST内的溶液会存在放射性,工作人员进行盲板焊接和切割的过程中会受到一定的辐射照射。

图3 “华龙一号”安全壳喷淋系统隔离阀配置Fig.3 Configuration of the contain ment isolation valve f or CSP systemin HPR1000

针对013/014 VB,若采用阀腔打压对其进行密封性检查,便不会产生上述问题。采用阀腔打压的试验方法,不需焊接和切割临时盲板,且IRWST的硼酸溶液无需排空,试验人员在壳外即可进行试验。试验过程中的隔离边界即为013/014 VB的阀体中腔,将013/014 VB闭锁后,通过螺纹连接的形式,将引压管接到阀门的阀根吹扫孔上,测量仪表连接到引压管上,通过维持阀腔内的压力恒定,测量仪表的读数即为013/014 VB的泄漏率。

4 结 论

本文根据安全壳整体性试验要求,给出了一种安全壳隔离阀密封性检查的阀腔打压试验方法。相对于常规方法,阀腔打压以阀根吹扫孔为试验接口,阀体中腔为承压边界,不需在被测阀门上、下游设置试验接口及隔离边界,试验过程大为简化。特别在常规方法应用困难的情况下,采用阀腔打压的隔离阀密封性试验方法具有较大优势。对于核电厂调试及定期试验期间的隔离阀密封性检查,具有较大的借鉴意义,特别对于缩短调试及定期试验工期,具有很大的应用价值。