中国实验快堆涉钠阀门的运行维护管理

陈志旭

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

中国实验快堆（CEFR）是我国第一座快中子反应堆，其主热传输系统的一、二回路和事故预热排放系统的中间回路均以液态金属钠为冷却剂[1]，相关的辅助系统如钠充排系统、钠分析监测系统、钠净化系统等主要流通介质也是液态金属钠。上述各系统中使用大量的钠阀，所涉及的钠阀类型涵盖了截止阀、止回阀和调节阀，驱动类型包括手动驱动、远程电动驱动和远程气动驱动，其密封形式主要采用波纹管密封或者钠冷冻密封结构。

1 CEFR钠阀运行状态管理

1.1 CEFR涉钠阀门

CEFR中涉钠系统较多，钠阀的使用也非常普遍，在尺寸上大致有以下几类：1）DN300、DN200电动闸阀安装在蒸汽发生器进、出口的管道上；2）DN200、DN100、DN80、DN40、DN25电动波纹管截止阀及DN40电动波纹管调节阀安装在一、二回路各辅助系统、蒸汽发生器和事故预热排放系统的管道上。

一回路钠循环泵本身结构中带有止回阀，手动操作，并有开启、中间位置和关合状态等3种位置的指示灯显示。在止回阀处于关合位置时，机械结构留有10%的开度，以便提供停泵时的钠有自然循环通道。

二回路主冷却系统在蒸汽发生器入、出口设置钠快速截止阀，这是由于发生钠-水反应事故时保证系统和蒸汽发生器的安全所要求。其目的是为了切断二回路中的钠循环，隔离蒸汽发生器，保证二回路系统和设备的安全，快速截止阀的关闭时间应小于25 s。

CEFR和普通热堆最明显的区别在于其一、二回路采用液态金属钠作为冷却剂，所以在其设备组成上涉钠系统和设备占了很大比重。在CEFR中的重要涉钠系统列举如表1所示。

表1 CEFR中的重要涉钠系统

表1中所列出的CEFR中的涉钠系统均由钠阀和管道及相应的设备组成，不同类型、不同尺寸的钠阀在上述系统正常功能的实现中起到极为重要的作用。在表2中列举了一些典型的钠阀及其参数。

表2 CEFR中的典型钠阀

1.2 CEFR钠阀的工作环境

CEFR的钠阀门安装在一、二回路及各辅助系统和事故余热排放系统的工艺房间内，属于非维修房间，是气密的，只在反应堆停堆以后定期进行检修。根据反应堆的运行状况，其工作的环境条件分为正常运行工况和事故工况两类。

1）反应堆额定运行工况时工作的外部环境为：环境介质为空气；压力为大气压；相对湿度不大于75%；一回路辅助系统工艺间温度低于60 ℃，二回路及其辅助系统工艺间温度低于45 ℃；一回路辅助系统工艺间放射性剂量为15 Sv/h，二回路及其辅助系统工艺间放射性剂量为3×105Sv/h。

2）事故工况（钠泄漏，发生钠火）时工作的外部环境为：环境介质为空气（有气溶胶）；压力为0.13 MPa；相对湿度为90%；一回路辅助系统、二回路及其辅助系统工艺间温度为90 ℃（发生概率为2年发生1次）或300 ℃（发生概率为30年发生1次）；一回路钠比活度为1.1×1011Bq/L，二回路钠比活度为3.7×104Bq/L。

此外，为保证液态钠的流动性及钠中杂质不会在冷点析出聚集而发生堵塞，需要在充钠之前将钠阀温度升至220 ℃，压力调整为0.49 MPa。充钠后阀门的加热温度由250 ℃升至505 ℃，达到稳定工况，升温速率为30 ℃/h。总寿期的80%期间在稳定工况下运行。温度由505 ℃降到250 ℃时的降温速率为30 ℃/h，再用氩气置换钠。

在上述严苛的条件下，涉钠阀门的设计寿命要达到30 a，连续工作时间须大于10 000 h，钠阀无故障计算周期为4 a。

1.3 钠阀密封结构

本文重点介绍两种CEFR在役的钠阀：冷冻钠阀和波纹管钠阀。

1.3.1 冷冻钠阀

表2中所列举的钠阀门中，电动冷冻钠闸阀即为前文所提到的位于二回路主冷却系统的蒸汽发生器前后的快速截止阀。CEFR在役的大口径电动冷冻钠阀一共有4个，对称分布于主热传输系统二回路的2个环路[3]。

CEFR中管口直径为300 mm钠阀剖面结构图如图1所示（点画线框内为冷冻密封部位，涂黑部分为钠冷却剂）。图1为闸板完全关闭的情况。

图1 闸阀剖面图

冷冻钠阀形成密封的原理是：液态金属钠进入钠阀后，阀体中的液态钠会沿冷冻密封腔室上升，通过肋片向空气中散热，密封室内钠的温度逐渐降低，直至凝固，形成环状密封塞，阻止液态钠进一步上升，至此冷冻密封建立完成[2]。

1.3.2 波纹管钠阀

本文中波纹管钠阀指波纹管密封钠截止阀，该类阀门主要应用相对尺寸较小（＜DN150）的钠管道上，对管道中的介质起截断作用，CEFR各钠相关系统中使用的阀门大部分采用这种结构，其局部结构如图2所示[3]。

图2 波纹管钠阀局部结构图

2 CEFR钠阀维护保养程序

为了保证CEFR钠阀设计功能的顺利实现，需要对CEFR在役钠阀进行定期的检查和维护保养，原堆工所运行室出版了CEFR核岛内部分钠阀的维护保养程序，规范了钠阀的维保周期、维保内容、风险分析、安全注意事项、前提准备、功能再鉴定等内容[4]。本文以一回路钠净化系统的电动钠阀C0101（PN1，DN65）为例，简要阐述CEFR的钠阀维护保养程序。

2.1 维保周期

维修保养周期应定为每年1次，也可根据设备工作环境、使用频率及全系统调整情况确定维保周期。

2.2 维保内容

1）阀门本体及驱动电装的外观，各接线的连接情况，保温层是否完好；2）拆除阀体保温，检查阀体和电动执行器紧固情况；3）对机械运动摩擦面进行润滑维护；4）对执行器电动机及接线端子等电气相关设备和部件进行常规性安全检查。

2.3 风险分析

1）设备安装位置处于核岛三级安全控制区，存在有辐射安全隐患；2）钠阀的操作必须在阀门的温度达到150℃以上后才可进行，否则可能造成阀门的损坏；3）高温工况时维修操作对人身、设备及系统存有极大的危险性。

2.4 安全注意事项

1）做好辐射安全防护准备；2）了解系统当前工况，做到正确无误的实施维修操作；3）维修工具应设为专用，不得带出控制区，工作完毕必须清洗后放置到指定存放处。

2.5 前提准备

1）工作开始前提出工作申请，并将维保工作加入日工作单，经过审批允许后，在主控室打印工作许可证，方可开展工作；2）维修工作须有系统操作员在控制台（柜）配合进行；3）阀门处于隔离状态，且由系统负责人确认安全后开始操作；4）配有良好有效的通信设备；5）通风照明情况良好。

2.6 功能再鉴定

维保完成后需要对当前阀门进行就地手动和远程电动启闭操作，观察其运行是否正常。

2.7 工作终结

1）现场清理；2）归还或办理结束工作许可证；3）由工作负责人填写工作报告，工作执行人及系统操作员签字备案。

3 CEFR钠阀泄漏事件分析

3.1 事件描述

在CEFR调试期间，运行人员对某系统进行预热，预热至某一管段时，由于该管段前后钠截止阀均处于闭合状态，且管段和阀体内有部分未排净的钠积存，导致预热过程中液态金属钠从钠阀阀杆处溢出。事后现场检查时此阀门波纹管密封已被破坏，钠由此泄漏。

3.2 原因分析

该管段前后有钠阀隔断（如图3），在系统排钠过程中，反向吹扫该钠管道时，若不能保持此段有一定的氩气环境，钠就可能被压到泄漏阀门处，造成液态钠在阀体和管段内积存，并因降温而凝固。事件发生时，电加热投入，阀体内的钠受热熔化，体积随温度升高持续增加，但阀体空隙的空间有限，没有足够的空间容纳持续膨胀的钠，最终导致液态钠冲破钠阀波纹管，并穿透机械密封、填料密封，形成泄漏。

图3 发生钠泄漏管段示意图[7]

3.3 经验总结

本次事件直接原因是在没有自由膨胀空间的情况下加热封闭区域内的凝固钠，导致阀体内的钠受热膨胀，冲破波纹管密封和机械密封、填料密封；根本原因是运行人员操作不规范和经验不足等人为因素。由此给出以下纠正行动：1）完善排钠操作规程，对排钠的钠管道设备应尽量吹扫干净，防止局部积钠冷冻；2）完善电加热操作规程，按顺序逐段预热系统管道，避免对封闭区域内的钠加热，保证钠的自由膨胀空间；3）加强人员培训，规范程序，并加强执行力度。

4 结语

涉钠阀门是CEFR及所有钠冷快堆中的重要设备，在维持反应堆正常运行及发生各类异常事件和事故时承担重要的作用。CEFR实际运行时间较短，积累的运行经验还不足，需要现场的操纵员和相关维保人员相互协调，对钠阀的操作和维护须遵循已有的规范，并针对不同的系统和工况做出相应的调整，在各类规范的限定下执行其设计功能。

从运行角度来看，在对涉钠系统进行排钠操作时，必须保证对排钠的钠管道、阀门等设备应尽量吹扫干净，防止局部钠积存，留下隐患。在对阀门进行启闭操作时，须保证其阀体温度高于220 ℃，避免在钠处于凝固状态时对阀门进行操作。

从维保角度来看，需要严格按照钠阀维保规程对钠阀进行定期维保和不定期的检查，保证钠阀的驱动机构和内外密封的可靠性，并在执行维保之前与运行人员做好沟通。