中國實驗快堆涉鈉閥門的運行維護管理

陳志旭

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

中國實驗快堆（CEFR）是我國第一座快中子反應堆，其主熱傳輸系統的一、二回路和事故預熱排放系統的中間回路均以液態金屬鈉為冷卻劑[1]，相關的輔助系統如鈉充排系統、鈉分析監測系統、鈉凈化系統等主要流通介質也是液態金屬鈉。上述各系統中使用大量的鈉閥，所涉及的鈉閥類型涵蓋了截止閥、止回閥和調節閥，驅動類型包括手動驅動、遠程電動驅動和遠程氣動驅動，其密封形式主要采用波紋管密封或者鈉冷凍密封結構。

1 CEFR鈉閥運行狀態管理

1.1 CEFR涉鈉閥門

CEFR中涉鈉系統較多，鈉閥的使用也非常普遍，在尺寸上大致有以下幾類：1）DN300、DN200電動閘閥安裝在蒸汽發生器進、出口的管道上；2）DN200、DN100、DN80、DN40、DN25電動波紋管截止閥及DN40電動波紋管調節閥安裝在一、二回路各輔助系統、蒸汽發生器和事故預熱排放系統的管道上。

一回路鈉循環泵本身結構中帶有止回閥，手動操作，并有開啟、中間位置和關合狀態等3種位置的指示燈顯示。在止回閥處于關合位置時，機械結構留有10%的開度，以便提供停泵時的鈉有自然循環通道。

二回路主冷卻系統在蒸汽發生器入、出口設置鈉快速截止閥，這是由于發生鈉-水反應事故時保證系統和蒸汽發生器的安全所要求。其目的是為了切斷二回路中的鈉循環，隔離蒸汽發生器，保證二回路系統和設備的安全，快速截止閥的關閉時間應小于25 s。

CEFR和普通熱堆最明顯的區別在于其一、二回路采用液態金屬鈉作為冷卻劑，所以在其設備組成上涉鈉系統和設備占了很大比重。在CEFR中的重要涉鈉系統列舉如表1所示。

表1 CEFR中的重要涉鈉系統

表1中所列出的CEFR中的涉鈉系統均由鈉閥和管道及相應的設備組成，不同類型、不同尺寸的鈉閥在上述系統正常功能的實現中起到極為重要的作用。在表2中列舉了一些典型的鈉閥及其參數。

表2 CEFR中的典型鈉閥

1.2 CEFR鈉閥的工作環境

CEFR的鈉閥門安裝在一、二回路及各輔助系統和事故余熱排放系統的工藝房間內，屬于非維修房間，是氣密的，只在反應堆停堆以后定期進行檢修。根據反應堆的運行狀況，其工作的環境條件分為正常運行工況和事故工況兩類。

1）反應堆額定運行工況時工作的外部環境為：環境介質為空氣；壓力為大氣壓；相對濕度不大于75%；一回路輔助系統工藝間溫度低于60 ℃，二回路及其輔助系統工藝間溫度低于45 ℃；一回路輔助系統工藝間放射性劑量為15 Sv/h，二回路及其輔助系統工藝間放射性劑量為3×105Sv/h。

2）事故工況（鈉泄漏，發生鈉火）時工作的外部環境為：環境介質為空氣（有氣溶膠）；壓力為0.13 MPa；相對濕度為90%；一回路輔助系統、二回路及其輔助系統工藝間溫度為90 ℃（發生概率為2年發生1次）或300 ℃（發生概率為30年發生1次）；一回路鈉比活度為1.1×1011Bq/L，二回路鈉比活度為3.7×104Bq/L。

此外，為保證液態鈉的流動性及鈉中雜質不會在冷點析出聚集而發生堵塞，需要在充鈉之前將鈉閥溫度升至220 ℃，壓力調整為0.49 MPa。充鈉后閥門的加熱溫度由250 ℃升至505 ℃，達到穩定工況，升溫速率為30 ℃/h。總壽期的80%期間在穩定工況下運行。溫度由505 ℃降到250 ℃時的降溫速率為30 ℃/h，再用氬氣置換鈉。

在上述嚴苛的條件下，涉鈉閥門的設計壽命要達到30 a，連續工作時間須大于10 000 h，鈉閥無故障計算周期為4 a。

1.3 鈉閥密封結構

本文重點介紹兩種CEFR在役的鈉閥：冷凍鈉閥和波紋管鈉閥。

1.3.1 冷凍鈉閥

表2中所列舉的鈉閥門中，電動冷凍鈉閘閥即為前文所提到的位于二回路主冷卻系統的蒸汽發生器前后的快速截止閥。CEFR在役的大口徑電動冷凍鈉閥一共有4個，對稱分布于主熱傳輸系統二回路的2個環路[3]。

CEFR中管口直徑為300 mm鈉閥剖面結構圖如圖1所示（點畫線框內為冷凍密封部位，涂黑部分為鈉冷卻劑）。圖1為閘板完全關閉的情況。

圖1 閘閥剖面圖

冷凍鈉閥形成密封的原理是：液態金屬鈉進入鈉閥后，閥體中的液態鈉會沿冷凍密封腔室上升，通過肋片向空氣中散熱，密封室內鈉的溫度逐漸降低，直至凝固，形成環狀密封塞，阻止液態鈉進一步上升，至此冷凍密封建立完成[2]。

1.3.2 波紋管鈉閥

本文中波紋管鈉閥指波紋管密封鈉截止閥，該類閥門主要應用相對尺寸較小（＜DN150）的鈉管道上，對管道中的介質起截斷作用，CEFR各鈉相關系統中使用的閥門大部分采用這種結構，其局部結構如圖2所示[3]。

圖2 波紋管鈉閥局部結構圖

2 CEFR鈉閥維護保養程序

為了保證CEFR鈉閥設計功能的順利實現，需要對CEFR在役鈉閥進行定期的檢查和維護保養，原堆工所運行室出版了CEFR核島內部分鈉閥的維護保養程序，規范了鈉閥的維保周期、維保內容、風險分析、安全注意事項、前提準備、功能再鑒定等內容[4]。本文以一回路鈉凈化系統的電動鈉閥C0101（PN1，DN65）為例，簡要闡述CEFR的鈉閥維護保養程序。

2.1 維保周期

維修保養周期應定為每年1次，也可根據設備工作環境、使用頻率及全系統調整情況確定維保周期。

2.2 維保內容

1）閥門本體及驅動電裝的外觀，各接線的連接情況，保溫層是否完好；2）拆除閥體保溫，檢查閥體和電動執行器緊固情況；3）對機械運動摩擦面進行潤滑維護；4）對執行器電動機及接線端子等電氣相關設備和部件進行常規性安全檢查。

2.3 風險分析

1）設備安裝位置處于核島三級安全控制區，存在有輻射安全隱患；2）鈉閥的操作必須在閥門的溫度達到150℃以上后才可進行，否則可能造成閥門的損壞；3）高溫工況時維修操作對人身、設備及系統存有極大的危險性。

2.4 安全注意事項

1）做好輻射安全防護準備；2）了解系統當前工況，做到正確無誤的實施維修操作；3）維修工具應設為專用，不得帶出控制區，工作完畢必須清洗后放置到指定存放處。

2.5 前提準備

1）工作開始前提出工作申請，并將維保工作加入日工作單，經過審批允許后，在主控室打印工作許可證，方可開展工作；2）維修工作須有系統操作員在控制臺（柜）配合進行；3）閥門處于隔離狀態，且由系統負責人確認安全后開始操作；4）配有良好有效的通信設備；5）通風照明情況良好。

2.6 功能再鑒定

維保完成后需要對當前閥門進行就地手動和遠程電動啟閉操作，觀察其運行是否正常。

2.7 工作終結

1）現場清理；2）歸還或辦理結束工作許可證；3）由工作負責人填寫工作報告，工作執行人及系統操作員簽字備案。

3 CEFR鈉閥泄漏事件分析

3.1 事件描述

在CEFR調試期間，運行人員對某系統進行預熱，預熱至某一管段時，由于該管段前后鈉截止閥均處于閉合狀態，且管段和閥體內有部分未排凈的鈉積存，導致預熱過程中液態金屬鈉從鈉閥閥桿處溢出。事后現場檢查時此閥門波紋管密封已被破壞，鈉由此泄漏。

3.2 原因分析

該管段前后有鈉閥隔斷（如圖3），在系統排鈉過程中，反向吹掃該鈉管道時，若不能保持此段有一定的氬氣環境，鈉就可能被壓到泄漏閥門處，造成液態鈉在閥體和管段內積存，并因降溫而凝固。事件發生時，電加熱投入，閥體內的鈉受熱熔化，體積隨溫度升高持續增加，但閥體空隙的空間有限，沒有足夠的空間容納持續膨脹的鈉，最終導致液態鈉沖破鈉閥波紋管，并穿透機械密封、填料密封，形成泄漏。

圖3 發生鈉泄漏管段示意圖[7]

3.3 經驗總結

本次事件直接原因是在沒有自由膨脹空間的情況下加熱封閉區域內的凝固鈉，導致閥體內的鈉受熱膨脹，沖破波紋管密封和機械密封、填料密封；根本原因是運行人員操作不規范和經驗不足等人為因素。由此給出以下糾正行動：1）完善排鈉操作規程，對排鈉的鈉管道設備應盡量吹掃干凈，防止局部積鈉冷凍；2）完善電加熱操作規程，按順序逐段預熱系統管道，避免對封閉區域內的鈉加熱，保證鈉的自由膨脹空間；3）加強人員培訓，規范程序，并加強執行力度。

4 結語

涉鈉閥門是CEFR及所有鈉冷快堆中的重要設備，在維持反應堆正常運行及發生各類異常事件和事故時承擔重要的作用。CEFR實際運行時間較短，積累的運行經驗還不足，需要現場的操縱員和相關維保人員相互協調，對鈉閥的操作和維護須遵循已有的規范，并針對不同的系統和工況做出相應的調整，在各類規范的限定下執行其設計功能。

從運行角度來看，在對涉鈉系統進行排鈉操作時，必須保證對排鈉的鈉管道、閥門等設備應盡量吹掃干凈，防止局部鈉積存，留下隱患。在對閥門進行啟閉操作時，須保證其閥體溫度高于220 ℃，避免在鈉處于凝固狀態時對閥門進行操作。

從維保角度來看，需要嚴格按照鈉閥維保規程對鈉閥進行定期維保和不定期的檢查，保證鈉閥的驅動機構和內外密封的可靠性，并在執行維保之前與運行人員做好溝通。