稳压器安全阀在极限事故工况下的功能研究

邱 磊，傅仁浦，祝太富，秦博杰，刘德军

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

2011 年3 月11 日，日本大地震使得福岛第一核电厂1—4号机组发生全厂断电事故，正常电源及应急柴油机电源都无法正常工作，反应堆堆芯丧失冷却水源，导致堆芯部分裸露，出现不同程度的堆芯熔化，造成核电史上又一次重大事故。福岛事故后，中国核电站进行了一系列的整改工作，其中稳压器安全阀再供电工作作为堆芯余热排出的重要手段，是其中重要的整改工作之一。

1 极限事故分析与稳压器安全阀在事故中的作用

根据福岛事故背景，如果核电站发生全厂断电事故工况（SBO），如何顺利排出堆芯余热将成为事故处理首要工作。为应付极限事故工况堆芯冷却，核电站在保留原有安全措施的基础上，增设一、二回路等应急补水改造。当一回路自然循环可以建立、且二回路紧急排热路径畅通，则首先考虑利用二回路排出堆芯余热，此时二回路应急补水产生作用；当二回路排热手段不可用时，为防止高压熔堆的发生，在严重事故管理导则中要求在综合评估泄压的好处和潜在风险的前提下，对一回路进行降压操作。通过开启稳压器安全阀，使一回路的压力降低到一定水平（严重事故导则中提到要将压力降到2 MPa 以下，压力值需确保低于补水压力）。当成功实施一回路泄压后，则可根据相关规程和严重事故管理导则的要求，通过实施一回路应急补水，最终实现对堆芯的冷却。

当二回路排热手段不可用需一回路补水操作时，如何保证稳压器安全阀的长时间开启成为一个很重要的环节，只有保证稳压器安全阀的开启才能确保一回路的泄压和应急补水的注入，而同时保证稳压器安全阀的长时间开启才能确保应急补水带走热量流出，最终实现对堆芯的冷却。

目前中国核电站使用的稳压器安全阀基本是法国生产的SEBIM 安全阀，SEBIM 安全阀为世界上技术先进的一类先导式安全阀，为压水堆核电厂最重要和复杂的一类阀门，是核岛一回路的最后一道压力屏障。安全阀的低压保护功能使其在三哩岛事故后得到全世界核电站广泛的应用，可以说SEBIM安全阀是针对解决三哩岛事故工况发展起来的。稳压器安全阀的作用：确保在RCP 系统超压状况下将稳压器内压力的及时释放，保证系统及设备的安全；确保RCP 系统在低压状态下及时关闭阀门，保护一回路压力，避免压力太低造成堆芯融化风险。福岛事故后，稳压器安全阀开发的新作用：极限事故工况下，稳压器安全阀恰当的开启，促使堆芯冷却水的流出，从而带走堆芯余热。

2 稳压器安全阀再供电剖析与整改

稳压器安全阀位于稳压器顶部，分为3 组6 台，每组由保护阀和隔离阀组成，正常运行情况下保护阀关闭，隔离阀通过电磁阀通电开启。每台稳压器安全阀由控制柜和阀体组成。SBO 一回路补水工况下，为了排出堆芯余热，稳压器安全阀保护阀必须能手动开启，而手动开启必须借助主控室操作阀门电磁阀通电。但此时全厂已失电，如何对稳压器安全阀再供电成为事故处理非常重要的一环，针对这个问题，主要有以下两种解决办法。

2.1 蓄电池为稳压器安全阀电磁阀长期供电

在机架附近墙上对A/B 列各设置一个整流器箱，在应急需要的情况下由人手动将新增整流器箱电源转接到需要供电的机架UP 设备上。使用的备用开关为LNE 逆变器下游负载，LNE 逆变器上游由LAA 充电器和蓄电池供电，SBO 时由LAA蓄电池为稳压器安全阀长期供电。LAA 蓄电池可以为稳压器安全阀单独长时间供电，但在事故工况下，LNE 逆变器因需要为其他负载大负荷供电，此时可能造成稳压器安全阀电磁阀无电源供电。

2.2 稳压器安全阀电磁阀改型

现在使用的电磁阀原理：对电磁阀通电时，电磁阀内部电磁铁产生的磁力将稳压器安全阀控制柜控制杆拉下，控制柜控制阀门本体开启；当电磁阀断电时，电磁铁的磁力消失，控制杆在弹簧作用下弹回，控制柜控制阀门本体关闭。新式电磁阀原理：触发阀门开启信号，电磁阀通电，电磁阀内部电磁铁产生的磁力将稳压器安全阀控制柜控制杆拉下，同时电磁阀内部机构将控制杆锁住；当线路断电时，磁力消失，但是控制杆仍旧被锁住，阀门保持原状态开启；触发阀门关闭信号，控制杆锁住装置解除，控制杆在弹簧作用下弹回，控制柜控制阀门本体关闭。

目前的稳压器安全阀电磁阀由UP 供电，UP 由上游48 V母线供电，母线可由有一定电量的蓄电池供电。在事故初期，当需要打开稳压器安全阀泄压时，蓄电池可为电磁阀提供原始电源，电磁阀通电，稳压器安全阀开启，系统泄压。系统泄压到一定程度，一回路应急补水注入，整个过程持续很长时间，这时即使母线失去电源无法为稳压器安全阀电磁阀供电，稳压器安全阀仍可以保持开启，继续保证堆芯的冷却。新式电磁阀设计对稳压器安全阀长期供电问题是很好的解决路径。新式电磁阀如图1所示，比原电磁阀体积大一倍，位置不再安装在稳压器安全阀控制柜底部，而是安装在控制柜侧面，电缆接口与原电磁阀接口一致，更换简单。新式电磁阀在法国核电站正在普及推广，很多核电站已经开始使用。

综上所述，稳压器安全阀电磁阀改型方案优于为稳压器安全阀增加供电路径方案。

3 现有稳压器安全阀在极限事故工况下开启问题

3.1 稳压器安全阀事故工况下开启现状

图1 新式稳压器安全阀电磁阀

极限事故工况下，稳压器安全阀不仅承担着一回路超压保护的功能，还承担着一回路低压保护的功能，同时稳压器安全阀承担着在一回路应急补水工作中开启的重任，其功能非其他安全阀可以替代。

但目前业界对现有稳压器安全阀存在普遍的认识误区：只要稳压器安全阀电磁阀能通电，稳压器安全阀就能打开。但现状是稳压器安全阀保护阀在系统处于0.5 MPa（5 bar）压力以下无法开启，即使是在电磁阀通电情况下。

稳压器安全阀结构有别于一般安全阀，在系统处于高压时，它借助于系统压力使其密封，系统压力越大密封越好，但是保护阀在系统处于低压状态时，是依靠阀门弹簧压缩阀瓣使其密封，阀门弹簧力是无法手动解除的，因此阀门无法开启。

图2 为SEBIM 保护阀和隔离阀结构对比，由于隔离阀在任何压力工况下都能通过电磁阀开启，因此通过对比两者的结构差异，分析保护阀在低压情况下无法开启的原因。

图2 SEBIM 保护阀和隔离阀阀体结构对比

图3 保护阀和隔离阀阀瓣对比

低压情况下，保护阀关闭隔离阀却有5 mm 的自然开度，是因为两者的阀瓣长度不一样，区别主要在活塞上部弹簧和阀瓣波纹管。①保护阀活塞顶部有2 个粗弹簧，而隔离阀活塞顶部只有一个细弹簧，这就保证了保护阀阀瓣有着较大的向下推力；②保护阀和隔离阀波纹管照片见图3，从图3 可以看出，保护阀的波纹管弹簧比隔离阀的波纹管弹簧细，保护阀的波纹管弹簧力小，比隔离阀更容易被往下推动。在系统无压情况下，阀瓣受到的总向下推力F=弹簧向下推力-波纹管向上收缩力。保护阀弹簧向下推力大，波纹管向上收缩力小，因此阀瓣的总向下推力F 较大。而隔离阀相反，其弹簧向下推力小于波纹管向上收缩力，总向下推力F 为负值，阀门保持约5 mm 的自然开度。

而当系统处于低压状态并且电磁阀通电时，由于阀头活塞顶部为大气压状态（即表压为0），阀瓣底部受到系统压力，保护阀阀瓣受到的总向下推力F=弹簧向下推力-波纹管向上收缩力-系统压力向上推力，系统压力向上推力F′=P系统×S阀瓣。另外如果要使阀瓣产生向上移动，阀瓣还需要克服活塞密封件的摩擦阻力，因此当阀瓣向上运动时，阀瓣受到的总向上推力F′=系统压力向上推力（P系统×S阀瓣）+波纹管向上收缩力-弹簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力。根据计算，如果使保护阀阀瓣受到的总向上推力F′＞0，需P系统＞0.5 MPa（5 bar），即P系统＜0.5 MPa（5 bar）时，稳压器保护阀基本不会开启。

3.2 断电情况下堆芯注水冷却现状

根据事故工况导则，一回路需通过稳压器安全阀泄压至补水压力以下后注入应急补水，现在一回路应急补水的接入口位于EAS 和RIS 中间的H4 管线，通过RIS 管线注入RCP 系统。消防车正常出水压力1 MPa，处于0 m 位置，稳压器安全阀处于核岛25 m 位置，高度差为25 m。考虑消防水在传输过程中存在一定的压力损耗和管道节流，消防水压力到达稳压器安全阀时压力值P=消防水压力-高压差对应的压力值-压力损耗和管道节流=0.75 MPa（7.5 bar）-压力损耗和管道节流，该压力值可能已经接近保护阀的电磁阀通电阀门开启压力值0.5 MPa（5 bar），因此即使稳压器安全阀能推开，但稳压器安全阀阀瓣受到的向上推力值（波纹管向上收缩力+系统压力向上推力-弹簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力）也较小，开度有限。而根据事故导则，在此事故工况下，注入反应堆堆芯的有效补水流量要求为不小于40 m3/h，此时稳压器安全阀保护阀的开启高度无法使冷却补水流量超过40 m3/h。

3.3 解决办法

针对存在的问题，较好的解决办法为：①提高补水压力。需提高消防车的供压能力以及消防软管的压力等级。②在能满足阀门密封力要求的前提下减小保护阀在低压状态的开启压力值。针对方法②进行以下分析。

按照前面的分析，保护阀阀瓣受到的总向上推力F′=系统压力向上推力（P系统×S阀瓣）+波纹管向上收缩力-弹簧向下推力-活塞密封件的摩擦阻力。如果需要增大阀瓣受到的总向上推力，在阀门结构上可以采取以下方法：

3.3.1 控制弹簧向下推力和波纹管向上收缩力

由于保护阀在正常运行工况下需要保证密封，现有的保护阀弹簧向下推力远大于波纹管向上收缩力，目的是保证在系统低压状况下阀门有足够的密封力。但针对福岛事故整改的冷却水排放要求，同时在满足阀门密封力的情况下，弹簧向下推力和波纹管向上收缩力之间的差距可以适当缩小。

3.3.2 减小活塞密封件的摩擦阻力

目前使用的活塞如图4 所示，组件包含有2 个带内弹簧密封件，密封件开口朝有压侧（向上），密封件在压力作用下撑大，从而贴紧阀头内壁保证密封。从现场检修情况看，将活塞安装进活塞套需要较大推力，单用成人双手无法推进，在检修过程中使用检修工具安装。

活塞及密封件的功能：通过活塞的运动控制阀瓣运动，同时需保证密封。目前针对减小活塞密封件阻力的解决方案是改变原先活塞的结构设计，将阀头与活塞设计成波纹管式结构，密封形式变成波纹管静密封，同时波纹管的上下伸缩又能满足类似活塞上下运动的要求，活塞密封件的摩擦阻力将变成波纹管的上下伸缩力，波纹管的上下伸缩力远远小于现有的活塞上下运动阻力。

结合上述两点对阀门结构改造后，要使稳压器保护阀阀瓣受到的总向上推力F′＞0，系统压力向上推力（P系统×S阀瓣）将大大减小，S阀瓣为定值，则P系统将大大减小。

针对福岛事故冷却水排放要求而进行的阀门本体结构技改，即在满足阀门密封力的情况下，适当缩小弹簧向下推力和波纹管向上收缩力之间的差距，同时改变活塞结构以减小活塞密封件的摩擦阻力，SEBIM 工厂已经完成设计，目前法国EDF 旗下电厂已安装使用并成功解决了阀门启闭的问题，图5 为现有的阀门和改造后的阀门。

图4 现在使用的活塞

4 结束语

稳压器安全阀先导式结构因三哩岛事故而生，同时在福岛事故后的核电站事故处理方案中起到举足轻重作用。分析核电站在极限工况下事故的成因及处理，根据稳压器安全阀再供电整改工作要求提出较好的解决方案，同时指出现有稳压器安全阀在极限事故工况下容易被忽略的问题，阐述问题的成因，破除认识误区，并提出相应的解决方案。