M310机组稳压器先导式安全阀的应用及两向分配器故障判断

刘 强，尚宪和

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314303)

1 稳压器先导式安全阀的应用

三哩岛事件的根源是人因失误和机械故障，最主要的机械故障是稳压器安全阀组开启后,当反应堆内压力下降至正常时，阀门由于故障未能自动回座，最终发生“LOCA”失水事件，堆芯90%的燃料棒包壳破损，47%的核燃料融毁。当前M310核电机组的稳压器安全阀使用的是法国WEIR-SEBIM公司生产的先导式安全阀组。

1.1 先导式安全阀的组成

M310机型的稳压器SEBIM安全阀，共设置了3组SEBIM阀，每个阀组由串联安装的2台阀门组成，上游阀门称为安全阀，具有泄压功能，3个保护阀有不同的整定压力，为稳压器提供3重超压保护。下游阀门称为隔离阀，具有隔离功能，3个隔离阀整定值相同。系统正常运行时，保护阀关闭、隔离阀开启，如果保护阀开启之后无法回座时，隔离阀会在系统压力降至138 bar时关闭，防止一回路进一步泄压[1]。

图1 先导式安全阀的外观图Fig.1 The appearance of pilot operated safety valve

1.2 先导式安全阀的动作原理

图2 先导式安全阀动作原理图Fig.2 The schematic of the operation of the pilot operated safety valve

主阀的开启和关闭是依靠阀头活塞腔体的充压和泄压来实现的，见图2，阀瓣面积为s；阀头活塞面积为S；系统压力为P；密封力为F。

建立方程：P×S=P×s+F，

F=P×(S-s)

设计中，S>s，所以密封力一直为正，而且阀头压力为系统压力，密封力会随着系统压力的增加而增加，但是当系统压力达到控制柜整定压力时，阀头通过控制柜泄压，此时阀头活塞上压力为零，阀瓣在系统压力的作用下被顶起，阀门开度迅速达到全开。

1.3 先导式安全阀的控制原理

先导式安全阀的动作是通过控制柜来实现的，控制柜的整定压力又是如何产生的呢？两向分配器(R1或R2)是稳压器安全阀组的核心部件，阀组的动作和功能都是通过R1、R2来实现的。

图3 先导式安全阀动作控制原理图Fig.3 The schematic diagram of operation control of the pilot operated safety valve

见图3：系统压力经冷凝器分成两路，一路经过过滤器去R1，另外一路不经过过滤直接去控制柜的控制活塞。让我们做如下计算：

设：系统压力是P，弹簧弹性系数为K，弹簧预紧力为F，R1/R2间隔为X(以X=R1/R2间隔y-调整后的控制杆厚z)，控制活塞面积为a。

第一阶段：

当P≤F/a时，控制杆处于上限位置，顶起R1，R1打开。这时系统压力P通过R1，进入阀头，作用于阀头活塞上，阀门关闭。

图4 先导式安全阀处于关闭状况Fig.4 Closure of the pilot operated safety valve

第二阶段：

P增大，控制杆逐渐离开R1，在未到达R2前，R1和R2都关闭，阀头压力保持原来压力，此时阀头依然维持R1关闭瞬间时的压力，阀门关闭。

图5 先导式安全阀处于关闭状况Fig.5 Closure of the pilot operated safety valve

第三阶段：

P继续增大，达到P=F/a+K×X/a时，控制杆达到R2，R2打开，阀头压力通过R2排至漏斗，阀头失压，阀瓣在系统压力的作用下迅速上移至全开；系统泄压，P减小。

第四阶段：

P继续减小，当P≤F/a+K×X/a时，控制杆离开R2，此时R1/R2关闭，阀头保持失压，阀门依然开启；

第五阶段：

P继续减小，当P=F/a时，控制杆达到R1，R1开启，系统压力P又通过R1，进入阀头，阀门关闭，至此，阀门完成一个循环。

图6 先导式安全阀处于排放状况Fig.6 Open of the pilot operated safety valve

图7 先导式安全阀处于排放状况Fig.7 Open of the pilot operated safety valve

图8 先导式安全阀处于关闭状况Fig.8 Closure of the pilot operated safety valve

2 两向分配器的简介

2.1 两相分配器的内部结构

每组阀门中的保护阀或隔离阀控制机构安装两个两向分配器(R1和R2)，R1和R2的内部结构和动作原理都是一样的，其外形照片见图10所示。

图9 两向分配器外形照片Fig.9 The appearance of the two-way allocator

两向分配器的外形尺寸是60 mm×60 mm×45 mm,其内部部件布置得非常紧凑。在五年期限的解体检修期间，两向分配器都作为整体必换件进行更换，无需对其进行解体检查，所以SEBIM厂家不提供两向分配器的内部结构和图纸资料(主要为了专利技术的保密)。为了便于介绍两向分配器的内部结构根据两向分配器实物，进行测绘、建模，见图11。

两向分配器主要由底块组件和执行组件两部分组成，底块组件的作用是通过内部阀芯的动作来控制进出口流道之间的通、断；执行组件是通过杠杆机构将外界的控制作用传递到底块组件，使其内部阀芯动作。

底块组件主要由内部流道、阀芯、顶针、弹簧和密封件(O形圈)等构成，如图12所示。内部流道直接加工在底块的内部；阀座密封面通过过盈配合与底块连接，并用O形圈密封；阀芯选用球形的红宝石，其所带来密封性比金属材质的阀芯更好，另外硬度和强度也更好；执行组件的动作可以直接传递到顶针，而顶针直接作用在阀芯上；内部弹簧的作用方向与顶针对阀芯的作用方向正好相反(相对)，弹簧可使阀芯与阀座密封面贴合保持密封，它是低压密封力的主要来源，高压密封性则是通过一回路的高压介质来提供的。

图10 两向分配器外形图及内部结构剖视图Fig.10 The profile and internal structure sectional view of the two-way allocator

执行组件通过顶块作用在角形杠杆的一端，直角杠杆的另一端与底块组件的顶针接触，顶块的上下移动可以通过支点直接传递到顶针上，使其顶针左右移动，如图13所示。

2.2 两相分配器功能的实现

两向分配器的结构和动作原理是一样的，但是同一个阀门中的两个两向分配器的安装位置和功能是不同的。R1和R2分别安装在三块组件中的上部块的下部和下部块的上部，如图14所示，R1和R2的安装位置竖直相对，先导凸台位于R1和R2的顶块之间，导杆与先导凸台刚性连接,导杆的上下移动能带动先导凸台一起上下移动来控制R1、R2的动作。导杆的正上方是控制柜部件的重要组成部分先导弹簧杆，其在系统压力和先导弹簧的共同作用下可以上下移动，先导弹簧杆向下移动会顶到导杆,使导杆和先导凸台向下移动,先导弹簧杆向上移动,导杆和先导凸台会自动复位，在自由状态下导杆和先导凸台在最上面。先导凸台的上下移动可控制R1、R2的启闭。

图11 两向分配器内部结构平面图Fig.11 The plan view of the internal structure of the two-way allocator

图12 执行组件内部结构示意图Fig.12 The schematic of the internal structure of the actuator

通过调整先导凸台的厚度来控制先导凸台的移动与R1、R2启闭的对应位置，即通过厚度的变化来调整开启压力与关闭压力之间的差值。

在装配时控制先导凸台的厚度来保证R1、R2不会同时开启，否则会造成一回路小破口事件[3]。

图13 两向分配器与三块组件的相对位置Fig.13 The relative position of the two-way allocator and the three components

3 两向分配器的内漏

3.1 产生内漏缺陷的原因

由于一回路正常运行压力是156 bar,在事故工况下的压力甚至会达到170 bar以上,两向分配器所需承受的压力很高,两向分配器在保证阀芯密封性能方面进行了精心设计，由于两向分配器阀芯尺寸小(阀芯球体直径4.5 mm),实际作用面积小,如果两向分配器密封面或者阀芯上有细微杂质(大于9 μm),此时两向分配器会产生内漏。

3.2 两向分配器内漏的危害

3.2.1 正常运行期间

换料大修定期实验后，需要用除盐除氧水对稳压器安全阀组进行充水排气操作，充水排气的主要目的是防止一回路高温、带放射性的介质进入控制柜部件，同时也可保证控制柜部件、阀体部件、脉冲管线和动力管线内部是水实体(无气泡)，这样一回路的压力可以准确快速得传递到控制柜部件并反馈给阀体部件动作。

正常运行时稳压器安全阀组中保护阀和隔离阀的两项分配器状态是不同的。

其中保护阀的R1开启、R2关闭，此时R2的作用是隔离脉冲管线(与一回路相连)和排泄管线(与大气相连)，若此时R2存在内漏，就会使脉冲管线(与一回路相连)和排泄管线(与大气相连)连通，此时一回路介质的压力会将之前充水排气进去的除盐除氧水压出脉冲管线和控制柜，一旦高温的一回路介质进入控制柜部件，就会导致控制柜部件的所有橡胶密封圈失效(控制柜部件的大部分密封组件以橡胶材质为主)，此时整个控制柜部件的密封性将丧失，会使一回路产生开口，最终会造成“LOCA”事故，同时由于一回路温度达到300 ℃左右，控制柜部件的机械部件无法承受如此高的温度，这样部分机械部件会受热变形而报废。

隔离阀的R1关闭、R2开启，如图6所示，此时R1的作用也是隔离脉冲管线(与一回路相连)和排泄管线(与大气相连)，如果隔离阀R1内漏，后果会同保护阀的R2内漏一样，最终导致控制柜部件受热变形而报废。

在机组正常运行时，为了减小R1、R2内漏造成严重后果的风险，主要有如下的几个在线监测方法：

1)在脉冲管线上游设置了温度探头；

2)同时在排泄管线的出口设置了排水收集箱和液位计。

当温度探头检测到脉冲管线水温升高或达到一回路温度，并且排水收集箱的液位计产生高液位报警时就进行干预[4]。

3.2.2 异常工况期间

当一回路超压，保护阀会自动开启，开启过程中是先导弹簧杆下移，推动导杆和先导凸台下移，使R1关闭，R2开启，如果R1在关闭后存在内漏，就会使一回路与大气连通，会造成“LOCA”事故，最终导致控制柜部件受热变形报废；

一回路降压后保护阀会自动关闭，关闭过程中，R1开启，R2关闭，如果R2关闭后存在内漏，一方面会使一回路与大气连通产生小破口，造成LOCA事故，最终导致控制柜部件受热变形报废；另一方面也会使保护阀体部件的活塞上腔无法建立压力使阀门关闭，就会发生保护阀卡开事故。

如果保护阀卡开，系统压力无法稳住且会继续下降，一回路失压后隔离阀应该会自动关闭，即R1开启，R2关闭，但是如果R2关闭后存在内漏，一方面会使一回路与大气连通产生小破口，造成LOCA事故，最终导致控制柜部件受热变形报废；另一方面也会使阀体部件的活塞上腔无法建立足够的压力而使阀体部件无法关闭，即发生隔离阀卡开事故，此时保护阀、隔离阀全部无法关闭，最终发生一回路开口事件。

3.3 两向分配器内漏的排查

3.3.1 机组正常运行期间

如果稳压器安全阀组的保护阀的R1内漏或者隔离阀的R2内漏都会导致温度计超温同时液位计高液位报警，此时需采取紧急措施处理。

3.3.2 阀门动作、性能试验

安全阀组的动作、性能试验期间，用电磁阀操作阀门之后，如果发现排泄管线单次实验的排水量超过200 mL，且没有停止，则怀疑对应控制柜部件的两向分配器存在内漏。

3.3.3 调试和大修压力整定

压力整定试验的目的是验证稳压器安全阀组的动作是否满足设计要求，也对两向分配器的密封性能进行检查，如图15所示，将脉冲管线从控制柜上拆除，并将压力整定试验台(BEN4)压力管线连接到控制柜上原连接脉冲管线的接头处，在试验台上连接压力表T1，通过实验台输出的压力变化来模拟一回路的压力变化使控制柜部件动作。然后在阀体部件活塞上腔引出压力表T2，根据控制柜部件通过动力管线传递到阀体部件活塞上腔的压力来评价控制柜部件发出的控制信号是否正确，即稳压器安全阀组的起跳、关闭定值是否合格。

先用锁定支架将先弹簧导杆锁定在当前位置(此时R1打开，R2关闭)，后用BEN4试验台升压至170 bar，试验台压力管线隔离阀，观察T2的压力变化，如果压力下降则检查阀体部件至控制柜之间是否有泄漏的迹象，及排泄管线出口是否有水滴出，如果部件无泄漏迹象且排泄管线出口有水滴出，则两向分配器R2存在内漏。

解除先导杆的锁定用试验台升压，整定过程中会得到图17所示的压力整定曲线图，主要分四个阶段。(T1相当于系统压力，T2是动力管线传递到阀体部件的压力)

阶段一：BEN4试验台开始升压T1、T2同步上升，直至R1关闭。

阶段二：BEN4试验台继续升压，T1继续上升，T2由于R1已经关闭压力维持不变，直到R2开启。R2开启瞬间，阀体部件活塞上腔通过排泄管线与大气连通，T2压力瞬间变为大气压。该阶段末对应的T1就是阀门的开启压力值。

图14 压力整定期间连接示意图Fig.14 The schematic of connections during pressure setting

图15 BEN4试验台Fig.15 The BEN4 test bench

阶段三:T1压力跟随BEN4试验台继续升高,至最高点使R2完全开启。

图16 压力整定曲线图Fig.16 The pressure setting curve

阶段四：通过BEN4试验台逐渐降压，此阶段T2维持大气压，T1逐渐下降，直到突变下降。该阶段末对应的T1就是阀门的关闭压力值。

4 结束语

本文介绍了压水堆稳压器安全阀组两向分配器的结构及内漏缺陷，文中讲述的各种观点、经验和方法，可以给其他核电机组来借鉴和参考。另外，该稳压器安全阀组已经应用到全世界的很多核电机组上，该设备的技术是成熟的，SEBIM公司设计该阀时在保证其安全功能的同时，也考虑了阀门日常维护的便利性。同时该类阀门的设计中集聚了许多国外比较先进的技术，如本文中讲述的两项分配器等，在许多方面都值得国内阀门制造厂家借鉴，这将有助于提高国产同类阀门的性能和全球竞争力，同时也有益于推动国内核电国产化的进程。