核電廠換熱器安全閥起跳原因及改進措施研究

白 帆，車銀輝

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215026）

0 引言

某核集團多個核電廠RRI（設備冷卻水）系統定期切換和定期試驗期間，在小流量工況下啟動RRI 泵時，下游的EAS（安全殼噴淋系統）換熱器安全閥（即RRI887/888VN 安全閥）頻繁發生起跳現象。該問題已困擾電廠多年，如果安全閥起跳后不回座就會導致RRI 系統失效、核島設備無法有效冷卻，造成核安全風險。

該RRI 系統為閉式循環冷卻水系統，由泵、波動水箱、換熱器等設備組成，其中RRI887/888VN 安全閥位于EAS 換熱器下游（圖1）。根據RCC-P[1]規定，RRI 系統冷段設備冷卻水溫度低于35 ℃，事故溫度低于45 ℃；同時為保證其他系統安全運行，RRI 系統冷段設備冷卻水溫度大于15 ℃。

圖1 RRI 系統布置示意

RRI 系統的作用主要有：①向核島各用戶提供冷卻水；②把熱負荷通過SEC（重要廠用水系統）傳到海水之中；③在核島各熱交換器和海水之間形成屏障，防止來自有關熱交換器的放射性流體釋放到海水中[2]。

RRI887/888VN 安全閥為彈簧式安全閥，安全閥的整定壓力為12.0 bar（1.2 MPa），其原理是依靠彈簧的彈性壓力將閥門的瓣膜等密封件閉鎖，當系統管線超壓時閥瓣克服安全閥的彈簧壓力，閉鎖裝置被頂開，安全閥開啟泄壓。

1 原因分析

1.1 RRI887/888VN 安全閥動作原因分析

1.1.1 集團內核電廠RRI 系統及設備調查對比

根據調查，這些RRI 系統設備的布置形式、標高完全相同；與系統壓力直接相關的RRI 泵、RRI887888VN 安全閥由不同廠家生產，且包含進口/國產（表1）；各類換熱器、波動水箱等設備亦由不同廠家生產。

表1 核電廠RRI 泵及安全閥生產廠家對比

各核電廠的系統布置、設備差異對比分析表明，RRI887/888VN安全閥動作問題并非單一設備導致，也非安全閥設計缺陷等原因，因此需要從RRI 系統整體的運行情況綜合研究分析RRI 泵啟動瞬態工況，研究啟泵的瞬間的系統沖擊特性及安全閥處的壓力變化情況。

1.1.2 RRI887/888VN 安全閥前壓力瞬態分析

針對RRI 系統小流量運行時啟泵工況開展多次錄波分析，各電廠RRI887/888VN 安全閥動作均發生在RRI 泵啟泵2～3 s后，這與RRI887/888VN 安全閥前壓力的駝峰現象時間相對應（圖2），壓力峰值最大達到13.3 bar（1.33 MPa）。

圖2 安全閥前壓力駝峰瞬態錄波情況

綜合以上分析，RRI887/888VN 安全閥動作的根本原因是，小流量工況下RRI 泵啟動時，轉速、流量上升期間，RRI 泵出口及系統存在壓力沖擊現象。該現象是離心泵固有特性，最終造成安全閥處存在壓力駝峰，引起安全閥起跳。

為解決該群廠技術問題，需從安全閥設計目的入手，同時對比國內外核電廠RRI 系統布置、設備差異，制定出合理可行的解決方案。

1.2 RRI887/888VN 安全閥設計目的分析

查詢AMSE 規范[3-4]、API 520 標準[5]、法國RCC-P 標準以及國內換熱器有關設計標準，確認RRI887/888VN 安全閥設計在EAS 換熱器下游，是為了保護換熱器在異常工況下不受損壞，但設計標準中涉及的異常工況在換熱器實際運行中不會出現（表2），可以確認，這些安全閥屬于“過度冗余設計”。

1.3 國內外核電廠系統設計調查

針對RRI887/888VN 安全閥“過度冗余設計”問題與國內、外核電設計專家交流，核實M310 堆型核電廠的RRI 系統設計、設備情況（表3）。

根據對比分析可得到以下結論：

（1）國內外M310 堆型核電廠系統管道布置，系統設備設計參數相似，且RRI 泵啟動瞬態過程中也存在瞬態沖擊現象。

（2）EDF M310 堆型核電廠EAS 換熱器下游未設計RRI887/888VN 安全閥，法國格拉芙林（C 電廠參考電站）核電廠已運行將近40 年，暫未收到由于RRI 泵瞬態沖擊引起設備異常事件的經驗反饋。

根據以上調研分析，當EAS 換熱器RRI 側增加RRI887/888VN 安全閥后，由于RRI 系統本身存在瞬態沖擊特性，造成安全閥運行不穩定，不僅未起到保護EAS 換熱器的作用，反而還降低了RRI 系統可靠性。

2 解決方案評估分析

根據1.2 及1.3 章節分析，RRI887/888VN 安全閥屬于過度冗余設計，考慮將提高安全閥定值作為最終解決方案。該方案不僅可以避免安全閥泄漏，還保留了安全閥的部分安全功能。

2.1 RRI887/888VN 安全閥最大許用壓力分析

RRI887/888VN 安全閥上法蘭和閥座為一體化制造，其安全閥設計參數、運行溫度以及法蘭設計的最高承壓能力核實如下：

（1）安全閥的進口法蘭材料和等級：上法蘭，Z2CND17-12，CL150 磅級；下法蘭，碳鋼，CL150 磅級。

（2）結合EAS 換熱器RRI 側設計溫度計算后，上法蘭為薄弱點，其最高許用壓力為16.1 bar（1.61 MPa）。

根據以上分析，初步確認將安全閥整定值調整至16.1 bar。

2.2 EAS 換熱器及管道承壓能力分析

（1）EAS 換熱器最大許用壓力分析。泄壓裝置的整定壓力不得超出容器最大許用工作壓力[6]，而EAS 換熱器的試驗壓力（密封壓力）為18.0 bar，其最大許用工作壓力應大于18.0 bar。

（2）EAS 換熱器殼側最大承壓能力分析。參考EAS 換熱器設計文件，其殼側最大承壓計算公式為：

式中 t——EAS 換熱器殼體厚度，20 mm

R——EAS 換熱器殼體內半徑，580 mm

s——最大許用應力值，87.55 MPa

經計算，P=30.0 bar（3.0 MPa）。

（3）管道承壓能力計算。管道承壓能力計算公式如下：

式中 T——管道厚度，6.35 mm

0.D——外徑，610 mm

SF——安全系數，取1

S——屈服強度，210 MPa

經計算，P=45 bar（4.5 MPa）。

EAS 換熱器承壓能力和系統管道承壓能力的分析結果見表4，可見RRI887/888VN 安全閥整定值需低于18.0 bar。

表4 容器運行壓力統計

2.3 提升安全閥整定壓力方案可行性分析

綜合上述分析結果，確認安全閥整定值由12.0 bar 調整至16.1 bar 可滿足系統及設備的承壓能力。根據調研，提高RRI887/888VN 安全閥定值方案現場改造工作量小，更換核級彈簧僅需“0.8 萬元/根”，安全閥仍然保留對EAS 換熱器一定的保護功能并消除安全閥頻繁起跳缺陷，有效提高了RRI 系統可靠性。

3 仿真計算驗證分析

采用Flomaster 軟件對RRI 系統開展建模仿真，評估安全閥定值調整后對系統瞬態壓力的影響（圖3）。仿真分析發現，當安全閥定值為12.0 bar 時系統瞬態最大壓力為13.9 bar（1.39 MPa），提高安全閥定值至16.1 bar 時系統瞬態最大壓力為14.0 bar（1.40 MPa）。由此可以判斷，取消安全閥對系統泄壓和瞬態壓力的影響不大。

圖3 Flomaster 建模仿真計算結果

4 結論

（1）造成RRI887/888VN 安全閥頻繁起跳的根本原因是，小流量工況下RRI 泵啟泵時存在壓力瞬態沖擊特性。參考設計標準，核實安全閥為“過度冗余設計”，這降低了RRI 系統可靠性。

（2）解決方案僅需更換RRI887/888VN 安全閥彈簧，將安全閥整定值由12.0 bar 提高至16.1 bar。提高整定值后降低了安全閥泄漏風險且仍保留安全閥部分安全功能。目前該方案已在某集團內各電廠推廣實施，有效解決了RRI887/888VN 安全閥頻繁起跳問題。