核電站主蒸汽隔離閥關(guān)閉超時分析及改進

葛龍輝

（江蘇核電有限公司維修二處，江蘇連云港 222042）

0 引言

核電發(fā)展的是否持久，重點在于核安全。閥門作為核電站常見的設(shè)備，數(shù)量多、種類繁雜，產(chǎn)生的問題種類較為復(fù)雜。主蒸汽隔離閥作為核電站重要的閥門，起到關(guān)閉作用，防止機組一回路向二回路泄漏的風(fēng)險，可及時關(guān)閉才能給電站的安全再增加一把鎖。

1 概述

為確保主蒸汽系統(tǒng)安全可靠地運行，田灣核電站在蒸汽發(fā)生器出口管道上設(shè)有主蒸汽閥組，它由主蒸汽隔離閥、主蒸汽安全閥、大氣釋放閥和大氣釋放閥前置隔離閥組成。主蒸汽閥組安裝在主蒸汽間20 m平臺主蒸汽系統(tǒng)的水平管道上。正常運行狀態(tài)，主蒸汽隔離閥保持開啟，兩個主蒸汽安全閥保持關(guān)閉，大氣釋放閥前置隔離閥保持關(guān)閉，大氣釋放閥處于開啟狀態(tài)。主蒸汽隔離閥是為了在主蒸汽管道破裂事故工況下，或一回路向二回路存在泄漏的事故工況下，快速地將相對應(yīng)的蒸汽發(fā)生器與主蒸汽集流管隔開，閥門關(guān)閉時間不超過5 s。主蒸汽安全閥的作用是使蒸汽發(fā)生器在事故情況下進行超壓保護。大氣釋放閥是為了在機組突然甩負荷或全廠斷電的時候，將蒸汽排放到大氣中，以避免安全閥動作。在偏離正常運行工況或事故工況下通過大氣排放閥動作將蒸汽排到大氣中，以導(dǎo)出堆芯余熱、冷卻反應(yīng)堆裝置[1]。

2 問題描述

2017年4月，田灣核電站3號機組在按計劃進行熱試試驗。試驗項目包括驗證主蒸汽隔離閥可以在5 s內(nèi)關(guān)閉。該項試驗即通過打開主蒸汽隔離閥的電磁先導(dǎo)閥DMS6使得下腔內(nèi)氣體迅速排出，上腔保持通過主管道不斷供氣，使活塞上腔的力大于活塞下腔的力，主閥活塞快速向下移動，達到迅速關(guān)閉主蒸汽隔離閥的效果。

試驗對4個通道的主蒸汽隔離閥依次進行驗證，發(fā)現(xiàn)只有4通道的主蒸汽隔離發(fā)閥的關(guān)閉時間滿足技術(shù)規(guī)格書標(biāo)準(zhǔn)，其余3個通道均超時，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 主蒸汽隔離閥關(guān)閉時間記錄s

在試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)3通道安全閥排放管線后有明顯的水擊現(xiàn)象，管線晃動較為明顯。

該試驗屬于熱試主線計劃，是驗證主蒸汽閥站可用的必須條件，如果該實驗無法完成，主蒸汽系統(tǒng)的安全性將無法得到保障，田灣核電站熱試進度將受到很大影響。須找出主蒸汽隔離閥關(guān)閉超時的原因，并設(shè)法恢復(fù)閥門功能。

3 原理分析

田灣二期主蒸汽閥站是德國SEMPELL公司生產(chǎn)的閥組，單機組有4個通道的閥組，每個通道的閥組包含1臺主蒸汽隔離閥，2臺主蒸汽安全閥，1臺大氣釋放閥和1臺大氣釋放閥前置隔離閥。閥體材質(zhì)1.057 1，每臺主閥口徑DN600，設(shè)計壓力7.8 MPa，工作溫度300℃。每臺主蒸汽隔離閥由1臺主閥，1臺單閥體電磁先導(dǎo)閥EMS6，2臺雙閥體級聯(lián)電磁先導(dǎo)閥DMS6，1臺帶止回閥的電動隔離閥NICO構(gòu)成。單臺主蒸汽安全閥由1臺主閥，1臺單閥體電磁導(dǎo)閥EMS6，1臺彈簧式先導(dǎo)閥構(gòu)成。兩臺主蒸汽安全閥起跳壓力分別為8.13 MPa和8.33 MPa。單臺大氣釋放閥前置隔離閥由1臺主閥，2臺單閥體電磁導(dǎo)閥EMS6構(gòu)成。單臺大氣釋放閥只有1臺主閥構(gòu)成，無先導(dǎo)閥。

主蒸汽隔離閥作為主蒸汽系統(tǒng)起主要隔離作用的閥門，在一回路破口，放射性介質(zhì)向二回路泄漏的情況下快速隔斷，剖視圖、隔離原理如圖1、圖2所示。圖2中DMS6為排放下腔氣體的雙閥體級聯(lián)電磁導(dǎo)閥，EMS6為排放上腔氣體的單閥體電磁導(dǎo)閥，NICO為帶8臺止回閥的電動隔離閥。

圖1 主蒸汽隔離閥閥門剖視圖

圖2 主蒸汽隔離閥原理

正常情況下，主蒸汽隔離閥主閥處于開啟位置。閥腔上部的連接器可以防止閥門全開后，在沒有系統(tǒng)壓力的情況下閥芯也保持在開位。此時電動隔離閥NICO處于打開位置，主管道上下游的蒸汽通過NICO不斷進入主閥上腔，蒸汽從上腔穿過活塞環(huán)和主閥活塞的間隙進入下腔。當(dāng)雙閥體級聯(lián)電磁導(dǎo)閥DMS6任意一路打開，下腔的蒸汽將迅速釋放到排放管線中。由于主閥上腔始終與蒸汽管線連接，活塞上腔壓力遠大于活塞下腔，閥桿脫離聯(lián)接機構(gòu)并關(guān)閉閥門。待閥門關(guān)閉后，關(guān)閉DMS6和NICO，打開連接活塞上腔的EMS6，上腔蒸汽壓力泄掉，同時蒸汽會通過主閥閥腔與活塞的間隙慢慢進入下腔，使下腔壓力超過上腔，將主閥打開。

閥門設(shè)計之初考慮到冗余性，特意設(shè)計兩路的先導(dǎo)閥DMS6用于關(guān)閉主閥，兩路互為并聯(lián)，保證一路失效時也可以關(guān)閉主閥。因此，熱試中主閥站關(guān)閉試驗共進行3次，兩路先導(dǎo)閥各關(guān)閉一次和一起關(guān)閉一次，來驗證主蒸汽隔離閥的關(guān)閉可靠性。

4 原因分析

結(jié)合主蒸汽隔離閥關(guān)閉原理分析可以看出影響主閥關(guān)閉的因素是導(dǎo)閥DMS6開啟后，下腔介質(zhì)未能及時可靠的排出，結(jié)合現(xiàn)場排放管道出現(xiàn)的水擊現(xiàn)象，針對此次主蒸汽隔離閥超時關(guān)閉原因做了如下分析：

（1）導(dǎo)閥DMS6排氣不暢，懷疑排氣管線有大量的冷凝水。

導(dǎo)閥DMS6屬于先導(dǎo)式雙閥結(jié)構(gòu)，如圖3所示，主要功能是從主閥下腔排出蒸汽，通過電磁頭通電，打開預(yù)啟閥，釋放導(dǎo)閥上腔壓力，之后依靠系統(tǒng)壓力打開先導(dǎo)閥，使蒸汽快速排出。值得注意的是導(dǎo)閥DMS6的出口并非直接排向大氣，而是連接至主蒸汽安全閥后面的排放管道中。該排放管道為DN600，正常運行時排放管無介質(zhì)。為保證安全閥排放順暢，必須對空直接排放。現(xiàn)場觀看到的水擊現(xiàn)象正好是發(fā)生在該管線上。該管線的最低點設(shè)有一條DN32輸水管線，輸水管線接截止閥后直接排到主蒸汽間外。輸水管線接截止閥打開后無水排出，但是水擊現(xiàn)象又證明了安全閥的排放管線存在充滿管道的大量殘水，判斷輸水管線堵塞，導(dǎo)致積水無法排出。主蒸汽隔離閥的導(dǎo)閥排氣無法立刻排向大氣，從而導(dǎo)致主閥下腔排水慢，使主閥關(guān)閉超時。

圖3 雙閥體級聯(lián)電磁先導(dǎo)閥DMS6示意

為了驗證該問題，維修人員切割了4個通道的輸水管線，切斷處水流一直呈現(xiàn)滴漏的狀態(tài)，而且流動后管線溫度變高，證明了該管線存在堵塞的情況。為徹底消除該問題，維修人員并采用壓縮空氣充氣疏通和水壓泵加壓兩種方式從輸水管線逆向疏通，疏通后輸水管線的流水從滴漏變成暢快的流通直到水排放完成，隨著排放管水位的降低，水擊現(xiàn)象也逐漸消失。沖洗的過程中，現(xiàn)場甚至沖出了一些安裝時的異物。正是由于這些異物存在導(dǎo)致管線內(nèi)水無法排空，引起導(dǎo)閥DMS6排氣不順利。

（2）系統(tǒng)蒸汽不流動，主閥站溫度低，蒸汽凝結(jié)成水，導(dǎo)致排放不暢。

田灣核電站二期3號機組熱試試驗二回路以主閥站后的二回路主隔離閥30LBA10-40AA102作為隔離邊界，通過排污系統(tǒng)LCQ對蒸發(fā)器進行排水控制蒸發(fā)器液位，以達到對一回路的動態(tài)冷卻，從蒸發(fā)器到30LBA10-40AA102管道介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)。機組運行狀態(tài)時，二回路蒸汽將從主閥站流經(jīng)隔離閥后到達汽輪機、經(jīng)汽水分離再熱器，高、低加至除氧器，再經(jīng)主給水泵返回蒸發(fā)器，組成閉環(huán)回路。蒸汽一直處于流動的狀態(tài)。由于熱試階段該段處于靜止?fàn)顟B(tài)，蒸汽不流動，熱量散發(fā)會明顯快于流動狀態(tài)。加上保溫層覆蓋不嚴(yán)，裸露閥門管道自身的散熱加快，導(dǎo)致主蒸汽閥站處溫度遠低于飽和溫度。

本次試驗參數(shù)借鑒一期，只是對試驗壓力作了要求，即要求的蒸發(fā)器壓力為6.27±0.1 MPa，未對二回路試驗溫度作要求。由于主蒸汽閥站處于熱試中二回路的冷段，蒸汽不流動，加上金屬管道屬于熱的良導(dǎo)體（碳鋼一般導(dǎo)熱系數(shù)48 W/（m·K），國標(biāo)定義導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12 W/（m·K）的材料稱為保溫材料），導(dǎo)致主閥站溫度持續(xù)下降。試驗結(jié)束后通過測溫槍實測管道外壁溫度約為150℃。理論上應(yīng)該對應(yīng)的飽和溫度約為280℃。試驗前1～3通道二回路溫度隨時間持續(xù)降低，而只有4通道由于動態(tài)排氣溫度保持穩(wěn)定。

管道介質(zhì)隨著時間變化溫度逐漸降低，當(dāng)?shù)陀诙芈穳毫?yīng)飽和溫度時，管道介質(zhì)發(fā)生相變，由蒸汽變?yōu)槔淠８鶕?jù)飽和蒸汽壓力—溫度對照表來看，6.2 MPa對應(yīng)的蒸汽壓力是277℃，而200℃對應(yīng)的蒸汽壓力為1.6 MPa。也就是說，溫度200℃時，壓力高于1.6 MPa時，水不會沸騰汽化。以一回路舉例，一回路溫度290℃，對應(yīng)的飽和蒸汽壓力為7.5 MPa，但是一回路實際的壓力是15.7 MPa，所以一回路是水而不是汽。根據(jù)伯努利方程：

式中，p為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。水的密度遠大于蒸汽，根據(jù)公式可以得出，蒸汽的流速遠大于水流速度。

對比廠家文件，發(fā)現(xiàn)廠家也是作了冷態(tài)和熱態(tài)兩種工況下的試驗，熱態(tài)時主蒸汽隔離閥關(guān)閉時間3.2～4.8 s，冷態(tài)工況下主蒸汽隔離閥關(guān)閉時間22～35 s，確定了冷熱態(tài)對主蒸汽隔離閥關(guān)閉時間的影響。

5 故障消除

試驗中驗證了4通道的主隔離閥可以滿足關(guān)閉要求。通過查看與其他通道對比，發(fā)現(xiàn)試驗前為了維持一回路壓力，打開了4通道大氣釋放閥通過釋放二回路蒸汽。正是由于在快速隔離閥關(guān)閉試驗前一直利用大氣釋放閥對二回路進行排氣來維持對一回路的冷卻，故在做4通道試驗時，主閥站內(nèi)實際介質(zhì)為流動的飽和蒸汽，蒸汽的泄壓和增壓速率均大于其他通道，故能使隔離閥快速關(guān)閉。

鑒于4通道試驗合格情況，也使得其余3通道的問題得到解決措施。在確保4個通道的排水徹底后，再次進行了其余通道的主蒸汽隔離閥試驗。每個通道試驗前通過先打開大氣釋放閥進行動態(tài)排氣的方式將主閥站內(nèi)的凝結(jié)水排出并預(yù)熱管道，然后再進行主蒸汽隔離閥的關(guān)閉試驗。后續(xù)3個通道關(guān)閉時間均不超過5 s，試驗結(jié)果均滿足驗收準(zhǔn)則，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 主蒸汽隔離閥關(guān)閉時間記錄表 s

6 改進

結(jié)合3號機組的熱試經(jīng)驗，在4號機組熱試試驗增加如下改進：

（1）主蒸汽隔離閥關(guān)閉試驗前確保主蒸汽安全閥后的排氣管線無殘留水，采用水壓泵反沖的方式確保排水管線通暢。為保證后續(xù)機組運行期間不會發(fā)生堵塞，針對該輸水管線增加法蘭，通過拆卸法蘭直接沖壓的方式保證管線暢通。

（2）每個通道主蒸汽隔離閥關(guān)閉試驗前，先通過大氣釋放閥對該通道主閥站進行動態(tài)排氣，使管道內(nèi)介質(zhì)由汽水兩相變?yōu)轱柡驼羝楸ＷC試驗時二回路壓力6.27±0.1 MPa，對應(yīng)飽和溫度約275℃，在開始試驗前，就地確認測量閥體溫度約250℃時開始關(guān)閉快速隔離閥。

7 總結(jié)

安全始終是核電站的生命線，主蒸汽閥站作為核電站重要的閥門，及時關(guān)閉才能給電站的安全再增加一把鎖。田灣二期主蒸汽發(fā)揮隔離閥關(guān)閉超時問題的分析為今后主蒸汽隔離閥關(guān)閉問題提供一種分析、解決問題的思路。同時依據(jù)此次關(guān)閉超時事件和分析作為經(jīng)驗反饋，不斷反思總結(jié)，應(yīng)用到4號機組的熱試中，保證閥門有效、可用。閥門安全穩(wěn)定運行將為核電站安全、持續(xù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。