AP1000电站主给水调节阀泄漏率等级的变更
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摘 要
主给水调节阀为AP1000电站安全相关设备，原设计的泄漏率等级被多家生产商证实无法达到，设计方要求降低泄漏等级。本文通过对泄漏率有直接影响的不同密封结构的比较，对降级后的阀门对安全相关功能和检修频率的影响进行的分析，对主给水调节阀设备泄漏率等级变更事宜进行阐述。
关键词
AP1000;主给水调节阀;泄漏率等级;主蒸汽破管;给水隔离
中图分类号： TM623 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 78
0 引言
主给水调节阀和启动调节阀是安全相关设备，在电站正常运行期间提供给水流量调节，同时在瞬态情况下能够反向隔离给水管线。阀门的泄漏率等级是衡量阀门密封性能优劣的一个重要标准。本文以主给水调节阀为例，通过对阀门功能、密封结构和泄漏率等级的介绍、阀门泄漏等级变更后对系统安全功能的影响和检修频率进行评估分析，对AP1000关键性的设备泄漏率等级变更事宜进行了阐述。
1 问题提出
参考美国流体控制协会（FCI）标准FCI 70-2要求，西屋公司在原设计中主给水调节阀规定主给水调节阀和启动给水调节阀泄漏率等级应为正向Ⅴ级、反向Ⅳ级。但是在实际设备制造和市场调研中发现，在目前的技术条件下，要在主给水调节阀和启动给水调节阀上实现该泄漏等级是不现实的。另外，如果要满足上述阀门泄漏率要求，阀门内部部件需要每个运行周期更换一次，阀门面临过度的维护，这和此类型阀门的实际运行经验相悖。西屋公司作为原设计方提出设计变更建议将阀门泄漏率等级改为两个方向均为Ⅲ级。
2 阀门功能介绍
三门核电工程1号机组设置两台蒸汽发生器，每台蒸汽发生器的主给水管线设置了一台主给水逆止阀，一台主给水隔离阀，一台主给水调节阀。主给水调节阀公称直径为20 英寸的气动截止式调节阀，为安全C级，1E级设备，抗震Ⅰ类。密封等级正向为Ⅴ级，反向Ⅳ级。
主给水调节阀执行蒸汽发生器隔离和主给水隔离的安全相关功能，在稳态运行、线性负荷变化、阶跃负荷变化情况下执行保持蒸汽发生器水位的非安全相关功能。
主给水调节阀的正向流向是由主给水泵流向蒸发器。当主给水调节阀下游管线破裂，即安全壳内靠近蒸发器一侧管线破裂时，主给水调节阀作为主给水隔离阀的备用隔离，防止二回路的水流入安全壳内。主给水调节阀的反向流向是由蒸发器侧的水倒流向主给水泵。当主给调节阀上游管线破裂，即靠近主给水泵一侧管线破裂时，主给水调节阀作为主给水隔离阀的备用隔离，防止蒸汽发生器失水。相应的阀门密封要求规定了阀门在对应事件下所允许的最大泄漏量，保证其安全相关功能不受影响。
3 阀门泄漏率等级和密封结构介绍
阀门泄漏率等级是衡量调节阀内泄漏量大小的指标，泄漏率等级越高，允许的泄漏量越小。国际标准和国家标准对调节阀泄漏等级有明确的规定，规范了泄漏率等级、实验介质、实验程序、阀座最大允许的泄漏量。
针对主给水调节阀，西屋公司最初设计泄漏率等级为正向Ⅴ级，反向Ⅳ级。Ⅳ级泄漏率定义为0.01%的阀门泄漏量，主给水调节阀100%容量的阀门流量为18031gpm，故Ⅳ级泄漏率下允许的泄漏量为1.8gpm。Ⅴ级泄漏率下允许的泄漏量为0.00390gpm。
对于三门核电1号机组采用的美国CCI公司套筒型调节阀而言，它的密封点有两个，阀芯与阀座的密封面、阀芯与阀门内壁滑动面间平衡密封环。任一密封点的密封不严，都会造成阀的内漏。主给水调节阀关断后，管道中的介质可能会正向或反向地会沿着阀芯与阀门内壁滑动面间的密封环处泄漏。
为保证调节阀具有较高的密封性能，通常会在阀芯外壁与阀腔内表面间的滑动面间通常采用活塞环的形式密封，密封材料、密封形式选取的不同都将影响阀门密封性能。阀门设计时，会根据不同的阀门泄漏率等级要求选择不同的密封形式。密封环主要有两道金属材料的密封活塞环（见图1）和带柔性材料的平衡密封环（见图2）两种形式。
采用两道相同金属材料密封的活塞环，由于采用硬质金属材料，在正常工况下，基本不受介质挤压变形，控制泄漏的能力基本保持稳定，故理论上正向和反向泄漏率等级相同。采用柔性材料的平衡密封环，使用了两种不同的材料，金属不锈钢材料和柔性材料（常用聚四氟乙烯和碳纤维材料等），当介质正向（即正向泄漏方向）通过该平衡密封环泄漏时，介质由下往上挤压密封环，使得密封环膨胀，提高密封性能。而当介质反向通过该平衡密封環泄漏时，介质由上往下挤压密封环，使得密封环收缩，密封性能则会相应被削弱。总体而言，采用柔性材料的密封环的密封效果要优于采用两道金属材料密封的活塞环。
西屋公司联系了4家独立的阀门厂商，这4家厂商都认为目前在该阀门的设计压力、设计温度、设计流量下，采用截止式的阀门形式无法实现Ⅴ级泄漏率。生产厂商曾试图寻找适用于该场合的替代材料，但均未能实现。鉴于此，西屋公司提出了降低主给水调节阀泄漏率等级的设计变更建议。
4 阀门泄漏率等级变更论述
4.1 泄漏率等级变更对安全功能影响
根据原设计，如果发生主蒸汽管线破裂，并且假设主给水泵仍在运行以及主给水调节阀下游的主给水隔离阀失效的情况下，调节阀作为隔离阀的备用应尽量减少注入蒸汽发生器的给水流量，以避免二次侧过多地带走堆芯热量、减小蒸汽产生量。因此，对调节阀提出了较为严苛的泄漏率等级要求。
但是实际上，主蒸汽管道破裂后，主蒸汽管线压力将降低，持续的高给水流量和蒸汽流量短时间迅速增大也会导致反应堆冷却剂平均温度降低。因此，主蒸汽管道破裂后的主蒸汽管线压力低2信号或冷却温度低2信号将会触发"S"信号，将迅速关闭所有的给水调节阀和给水隔离阀，停运主给水泵。主给水泵跳机具有很高的置信度，由于主给水泵的停运，这将根本上减小阀门上游管线压力，因此会减小泄漏，故不再需要一个严苛的泄漏率等级支持该安全相关的功能。因此，在主蒸汽管线破裂或主给水管线破裂事故中，降低主给水调节阀泄漏率等级不会影响AP1000 安全壳的完整性。 主给水调节阀的反向泄漏率则可以不考虑，即使主给水隔离阀（泄漏率为10cc/hr）失效，上游的止回阀（泄漏率为2cc/hr）有更高的泄漏率等级要求。故将原设计中的阀门泄漏率等级由正向Ⅴ级，反向Ⅳ级改为两个方向均为Ⅲ级不会对系统的安全相关功能造成影响。
4.2 泄漏率等级变更对检修周期的影响
泄漏率等级的提高会不可避免地用到柔性材料，而柔性材料的使用將会增加维修频率。相关阀门生产厂家提出使用能满足Ⅳ级关闭泄漏率要求的柔性材料，但考虑到设备质量和主蒸汽调节阀安全功能的要求和设计规定，所有柔性材料在电站寿期内每次停堆换料必须更换。此外，柔性材料易受到辐射和热作用的影响而发生降级，选择柔性材料将给设备维护和检修带来不便。
目前国内电站的主给水调节阀大多选用了较高的密封性能的柔性密封材料。而西屋公司在调研中发现即使采用柔性密封材料其泄漏率等级也未必能达到正向Ⅴ级，反向Ⅳ级。且在类似阀门中使用柔性材料虽在一定程度上能提升泄漏率等级，但是密封性能会因柔性材料腐蚀、热作用、老化等因素的影响而大幅下降，其寿命一般在2年左右，因此，每次停堆均需更换。相关电站根据阀门厂家的检修手册中将解体检修周期定为4年，实际上有一定的安全风险。
由西屋供货的三门1号机组和海阳1号机组的主给水调节阀为满足较高的泄漏率等级原计划使用柔性密封材料和硬质活塞环的中和密封。而将阀门泄漏率等级调整为Ⅲ级后，阀门厂商可选用硬质密封环。密封环的更换周期也将由柔性材料所需的2年更换周期延长至8-12年。所以主给水调节阀泄漏率等级的降低，将延长阀门密封环的更换周期，减小检修的频率，有利于阀门的维护和检修。
5 结语
主给水调节阀的泄漏率等级作为蒸汽发生器主给水隔离阀的一个备用隔离，其由原先设计中的允许泄漏率等级正向Ⅴ级、反向Ⅳ级，改为两个方向均为Ⅲ级。该变更的处理对国内核电站和三门核电后续机组类似阀门的密封结构、密封材料的选取有一定借鉴意义。
阀门泄漏率等级降低后不会对系统安全相关功能产生影响。由于原泄漏率等级的设置考虑了主蒸汽管道破裂事故工况下主给水泵仍在运行，而实际上主给水泵跳机有可靠的信号控制和很高的停泵置信度，故不再需要原设计中较为严苛的泄漏率等级来限制阀门的泄漏量。
降低泄漏率等级后可以在阀门内插件中避免使用柔性材料，延长阀门解体检修的周期，避免对阀门过度地解体检修。对于已应用了柔性密封材料的主给水调节阀或其他类似阀门合理安排检修周期，检修周期不宜过长，如有条件可定期做相应的检查。
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