核电厂换热器安全阀起跳原因及改进措施研究

白 帆，车银辉

（苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215026）

0 引言

某核集团多个核电厂RRI（设备冷却水）系统定期切换和定期试验期间，在小流量工况下启动RRI 泵时，下游的EAS（安全壳喷淋系统）换热器安全阀（即RRI887/888VN 安全阀）频繁发生起跳现象。该问题已困扰电厂多年，如果安全阀起跳后不回座就会导致RRI 系统失效、核岛设备无法有效冷却，造成核安全风险。

该RRI 系统为闭式循环冷却水系统，由泵、波动水箱、换热器等设备组成，其中RRI887/888VN 安全阀位于EAS 换热器下游（图1）。根据RCC-P[1]规定，RRI 系统冷段设备冷却水温度低于35 ℃，事故温度低于45 ℃；同时为保证其他系统安全运行，RRI 系统冷段设备冷却水温度大于15 ℃。

图1 RRI 系统布置示意

RRI 系统的作用主要有：①向核岛各用户提供冷却水；②把热负荷通过SEC（重要厂用水系统）传到海水之中；③在核岛各热交换器和海水之间形成屏障，防止来自有关热交换器的放射性流体释放到海水中[2]。

RRI887/888VN 安全阀为弹簧式安全阀，安全阀的整定压力为12.0 bar（1.2 MPa），其原理是依靠弹簧的弹性压力将阀门的瓣膜等密封件闭锁，当系统管线超压时阀瓣克服安全阀的弹簧压力，闭锁装置被顶开，安全阀开启泄压。

1 原因分析

1.1 RRI887/888VN 安全阀动作原因分析

1.1.1 集团内核电厂RRI 系统及设备调查对比

根据调查，这些RRI 系统设备的布置形式、标高完全相同；与系统压力直接相关的RRI 泵、RRI887888VN 安全阀由不同厂家生产，且包含进口/国产（表1）；各类换热器、波动水箱等设备亦由不同厂家生产。

表1 核电厂RRI 泵及安全阀生产厂家对比

各核电厂的系统布置、设备差异对比分析表明，RRI887/888VN安全阀动作问题并非单一设备导致，也非安全阀设计缺陷等原因，因此需要从RRI 系统整体的运行情况综合研究分析RRI 泵启动瞬态工况，研究启泵的瞬间的系统冲击特性及安全阀处的压力变化情况。

1.1.2 RRI887/888VN 安全阀前压力瞬态分析

针对RRI 系统小流量运行时启泵工况开展多次录波分析，各电厂RRI887/888VN 安全阀动作均发生在RRI 泵启泵2～3 s后，这与RRI887/888VN 安全阀前压力的驼峰现象时间相对应（图2），压力峰值最大达到13.3 bar（1.33 MPa）。

图2 安全阀前压力驼峰瞬态录波情况

综合以上分析，RRI887/888VN 安全阀动作的根本原因是，小流量工况下RRI 泵启动时，转速、流量上升期间，RRI 泵出口及系统存在压力冲击现象。该现象是离心泵固有特性，最终造成安全阀处存在压力驼峰，引起安全阀起跳。

为解决该群厂技术问题，需从安全阀设计目的入手，同时对比国内外核电厂RRI 系统布置、设备差异，制定出合理可行的解决方案。

1.2 RRI887/888VN 安全阀设计目的分析

查询AMSE 规范[3-4]、API 520 标准[5]、法国RCC-P 标准以及国内换热器有关设计标准，确认RRI887/888VN 安全阀设计在EAS 换热器下游，是为了保护换热器在异常工况下不受损坏，但设计标准中涉及的异常工况在换热器实际运行中不会出现（表2），可以确认，这些安全阀属于“过度冗余设计”。

1.3 国内外核电厂系统设计调查

针对RRI887/888VN 安全阀“过度冗余设计”问题与国内、外核电设计专家交流，核实M310 堆型核电厂的RRI 系统设计、设备情况（表3）。

根据对比分析可得到以下结论：

（1）国内外M310 堆型核电厂系统管道布置，系统设备设计参数相似，且RRI 泵启动瞬态过程中也存在瞬态冲击现象。

（2）EDF M310 堆型核电厂EAS 换热器下游未设计RRI887/888VN 安全阀，法国格拉芙林（C 电厂参考电站）核电厂已运行将近40 年，暂未收到由于RRI 泵瞬态冲击引起设备异常事件的经验反馈。

根据以上调研分析，当EAS 换热器RRI 侧增加RRI887/888VN 安全阀后，由于RRI 系统本身存在瞬态冲击特性，造成安全阀运行不稳定，不仅未起到保护EAS 换热器的作用，反而还降低了RRI 系统可靠性。

2 解决方案评估分析

根据1.2 及1.3 章节分析，RRI887/888VN 安全阀属于过度冗余设计，考虑将提高安全阀定值作为最终解决方案。该方案不仅可以避免安全阀泄漏，还保留了安全阀的部分安全功能。

2.1 RRI887/888VN 安全阀最大许用压力分析

RRI887/888VN 安全阀上法兰和阀座为一体化制造，其安全阀设计参数、运行温度以及法兰设计的最高承压能力核实如下：

（1）安全阀的进口法兰材料和等级：上法兰，Z2CND17-12，CL150 磅级；下法兰，碳钢，CL150 磅级。

（2）结合EAS 换热器RRI 侧设计温度计算后，上法兰为薄弱点，其最高许用压力为16.1 bar（1.61 MPa）。

根据以上分析，初步确认将安全阀整定值调整至16.1 bar。

2.2 EAS 换热器及管道承压能力分析

（1）EAS 换热器最大许用压力分析。泄压装置的整定压力不得超出容器最大许用工作压力[6]，而EAS 换热器的试验压力（密封压力）为18.0 bar，其最大许用工作压力应大于18.0 bar。

（2）EAS 换热器壳侧最大承压能力分析。参考EAS 换热器设计文件，其壳侧最大承压计算公式为：

式中 t——EAS 换热器壳体厚度，20 mm

R——EAS 换热器壳体内半径，580 mm

s——最大许用应力值，87.55 MPa

经计算，P=30.0 bar（3.0 MPa）。

（3）管道承压能力计算。管道承压能力计算公式如下：

式中 T——管道厚度，6.35 mm

0.D——外径，610 mm

SF——安全系数，取1

S——屈服强度，210 MPa

经计算，P=45 bar（4.5 MPa）。

EAS 换热器承压能力和系统管道承压能力的分析结果见表4，可见RRI887/888VN 安全阀整定值需低于18.0 bar。

表4 容器运行压力统计

2.3 提升安全阀整定压力方案可行性分析

综合上述分析结果，确认安全阀整定值由12.0 bar 调整至16.1 bar 可满足系统及设备的承压能力。根据调研，提高RRI887/888VN 安全阀定值方案现场改造工作量小，更换核级弹簧仅需“0.8 万元/根”，安全阀仍然保留对EAS 换热器一定的保护功能并消除安全阀频繁起跳缺陷，有效提高了RRI 系统可靠性。

3 仿真计算验证分析

采用Flomaster 软件对RRI 系统开展建模仿真，评估安全阀定值调整后对系统瞬态压力的影响（图3）。仿真分析发现，当安全阀定值为12.0 bar 时系统瞬态最大压力为13.9 bar（1.39 MPa），提高安全阀定值至16.1 bar 时系统瞬态最大压力为14.0 bar（1.40 MPa）。由此可以判断，取消安全阀对系统泄压和瞬态压力的影响不大。

图3 Flomaster 建模仿真计算结果

4 结论

（1）造成RRI887/888VN 安全阀频繁起跳的根本原因是，小流量工况下RRI 泵启泵时存在压力瞬态冲击特性。参考设计标准，核实安全阀为“过度冗余设计”，这降低了RRI 系统可靠性。

（2）解决方案仅需更换RRI887/888VN 安全阀弹簧，将安全阀整定值由12.0 bar 提高至16.1 bar。提高整定值后降低了安全阀泄漏风险且仍保留安全阀部分安全功能。目前该方案已在某集团内各电厂推广实施，有效解决了RRI887/888VN 安全阀频繁起跳问题。