褚福立

(山東核電有限公司，山東 煙臺 265116)

某核電廠單臺機(jī)組的安全殼隔離閥中有7臺為軸流式止回閥，均位于安全殼廠房內(nèi)，分別布置于儀用壓空系統(tǒng)、氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、除鹽水供應(yīng)系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、化容系統(tǒng)、乏池冷卻系統(tǒng)等中[1]，執(zhí)行安全殼隔離功能，均為核2級閥門。這些軸流式止回閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，尺寸分別為1/2 in、1 in、2 in、3 in、4 in、8 in，設(shè)計壓力等級除化容系統(tǒng)的加氫隔離閥為1500INT磅級(焊接)和蓄壓箱充氮隔離閥為900磅級(法蘭連接)外，其余均為150磅級(法蘭連接)。軸流式止回閥的介質(zhì)根據(jù)所在系統(tǒng)不同，分別為空氣、氮?dú)?、氫氣、除鹽水、冷凍水和含硼水等，且均為能動(Active)閥門，有泄漏率要求。根據(jù)ASME OM CODE規(guī)定[2]和10CFR50 附錄J的規(guī)定，需要定期執(zhí)行動作試驗和安全殼泄漏率試驗，在役試驗結(jié)果將影響機(jī)組的功率提升和穩(wěn)定運(yùn)行。

本文所述的軸流式止回閥在設(shè)計上均有保持關(guān)閉、轉(zhuǎn)換關(guān)閉的安全功能，并且都是“Active”的能動閥門。軸流式止回閥的在役試驗內(nèi)容為定期的安全殼泄漏率試驗和動作試驗。本文主要討論這些軸流式止回閥的安全殼泄漏率試驗和開關(guān)動作試驗不合格問題。

該核電廠兩臺機(jī)組的軸流式止回閥安全殼泄漏率試驗多次出現(xiàn)不合格，泄漏率超標(biāo)，動作試驗也存在多次不合格，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

1 軸流式止回閥的泄漏問題

根據(jù)ASME OM的規(guī)定，軸流式止回閥作為能動(Active)閥門，也是OM卷的A、C類閥門，其安全功能主要是保持安全殼邊界的密封性(泄漏)要求和轉(zhuǎn)換至安全位置的要求。為驗證以上兩項安全功能，其在役試驗項目分為兩項，在換料停堆時執(zhí)行的安全殼泄漏率試驗和定期的開關(guān)動作試驗。開關(guān)動作試驗的周期原則上為每季度一次，但如果實施此試驗會導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)或給人員帶來額外的輻照風(fēng)險，可選擇在大修期間實施。該核電廠的軸流式止回閥中除化容系統(tǒng)加氫隔離閥和蓄壓箱充氮隔離閥可每季度實施動作試驗外，其他閥門均在換料大修期間執(zhí)行。

1.1 軸流式止回閥的試驗要求

(1)安全殼泄漏率的試驗方法和驗收準(zhǔn)則

軸流式止回閥的安全殼泄漏率試驗，首先是閥門已安裝在工藝管道上，使用工藝系統(tǒng)上預(yù)留的試驗閥和試驗接口，在正常介質(zhì)流動的反方向上采用泄漏監(jiān)測儀提供的56 psig空氣或氮?dú)膺M(jìn)行密封試驗，測量空氣或氮?dú)獾牧髁?，?dāng)測量的補(bǔ)充氣體流量(數(shù)值)小于驗收限值則表明此試驗結(jié)果合格(見圖1)。

圖1 安全殼泄漏率試驗回路示意圖Fig.1 The containment leakage rate test flowchart

安全殼泄漏率試驗的試驗周期原則上為每30個月執(zhí)行一次，在機(jī)組運(yùn)行初期為避免試驗超期，在首次換料大修時均需實施此試驗。根據(jù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合安全殼總泄漏率的要求，單臺止回閥的泄漏率限值要求參考閥門口徑大小進(jìn)行確定，小于4 in止回閥的泄漏率驗收限值規(guī)定為2 000 sccm，大于等于4英寸的止回閥的泄漏率驗收限值規(guī)定為2 500 sccm。

(2)動作試驗的試驗方法和驗收準(zhǔn)則

軸流式止回閥的動作試驗分為開啟試驗和關(guān)閉試驗兩部分。開啟試驗用于驗證閥內(nèi)件能夠?qū)崿F(xiàn)部分開啟；關(guān)閉試驗用于驗證閥內(nèi)件已位于關(guān)閉位置(安全位置)(見表1)。

表1 軸流式止回閥動作試驗要求Table 1 The nozzle check valve exercise test requirement

動作試驗的周期原則上為每季度(系統(tǒng)具備試驗條件)，如動作試驗會造成機(jī)組瞬態(tài)或人員的額外輻照，可以在換料停堆期間實施。

1.2 軸流式止回閥的試驗情況

(1)安全殼泄漏率試驗

在該核電廠1號和2號機(jī)組調(diào)試階段，軸流式止回閥均進(jìn)行了安全殼泄漏率試驗，由于系統(tǒng)內(nèi)異物、介質(zhì)不清潔等原因，導(dǎo)致大量的調(diào)試試驗結(jié)果不合格，經(jīng)解體維修后重新試驗結(jié)果合格。

在1號機(jī)組首次臨界前，完成了兩次定期試驗(為避免第一次完成的定期試驗在首次大修時超期的風(fēng)險，補(bǔ)做了第二次定期試驗)。除了冷凍水隔離閥出現(xiàn)不合格外，其他閥門均滿足試驗要求(見表2)。

表2 1號機(jī)組軸流式止回閥的安全殼泄漏率歷次試驗結(jié)果Table 2 The containment leakage rate test all past test results of nozzle check valve in Unit 1

2號機(jī)組在進(jìn)行定期試驗(由于2號機(jī)組的首次定期試驗與機(jī)組臨界接近，不存在超期風(fēng)險，故截至目前僅進(jìn)行了一次定期試驗)出現(xiàn)大量的不合格問題，經(jīng)多次解體維修后重新試驗結(jié)果合格，但趨勢不好。其中，化容系統(tǒng)加氫隔離閥在動作試驗失敗后進(jìn)行了解體維修，多次重做泄漏率試驗仍不能滿足泄漏要求，采取過渡措施變更為升降式止回閥后試驗合格(見表3)。

表3 2號機(jī)組軸流式止回閥的安全殼泄漏率歷次試驗結(jié)果Table 3 The containment leakage rate test all past test results of nozzle check valve in Unit 2

(2)動作試驗

化容加氫隔離閥和蓄壓箱充氮隔離閥每季度執(zhí)行動作試驗，其他閥門每次換料大修期間執(zhí)行動作試驗。在換料大修期間動作試驗中的關(guān)閉試驗可以使用安全殼泄漏率的試驗結(jié)果，即安全殼泄漏率試驗結(jié)果合格則表明閥門已處于關(guān)閉位置，同時滿足了動作試驗中的關(guān)閉要求。

由于化容加氫隔離閥和蓄壓箱充氮隔離閥每季度進(jìn)行開關(guān)動作試驗，存在多次試驗結(jié)果不合格的問題。動作試驗不合格后，如對閥門進(jìn)行了解體檢查，則需要重新執(zhí)行安全殼泄漏率試驗。

化容加氫隔離閥的動作試驗情況為：1號機(jī)動作試驗結(jié)果合格；2號機(jī)動作試驗不合格(關(guān)閉試驗不滿足驗收準(zhǔn)則)，多次維修仍不能達(dá)到密封要求，臨時變更為升降式止回閥進(jìn)行替代，關(guān)閉試驗結(jié)果滿足要求。

蓄壓箱充氮隔離閥的動作試驗情況為：多次存在正向不導(dǎo)通、反向關(guān)閉不到位的情況，經(jīng)多次解體維修后試驗結(jié)果能夠滿足要求，但在下一季度試驗時仍然不合格。

2 原因分析

2.1 軸流式止回閥的維修

鑒于安全殼泄漏率試驗和動作試驗不合格時，需要對閥門進(jìn)行解體檢查。解體檢查發(fā)現(xiàn)了諸如密封面存在異物或顆粒、密封面劃傷、導(dǎo)向不足等問題，從而導(dǎo)致安全殼泄漏率試驗或動作試驗結(jié)果不滿足要求。

2.2 密封面的問題分析

軸流式止回閥解體后，一方面發(fā)現(xiàn)在密封面處存在灰渣、鐵銹等顆粒狀異物夾雜，從而對密封面造成影響。

另外，由于閥門密封副結(jié)構(gòu)為金屬硬密封，彈簧僅起到輔助回座的作用且作用有限(為使閥門流阻較小，彈簧剛度較小)，依靠系統(tǒng)介質(zhì)本身的壓差來實現(xiàn)密封，對閥芯、閥座的密封表面精度要求極高，并且在維修時需要較高的研磨技能(見圖2)。

圖2 氮?dú)庵够亻y的閥芯和閥座密封面Fig.2 The disc and seat seal surface of nitrogen nozzle check valve

2.3 閥芯導(dǎo)向的問題分析

軸流式止回閥的現(xiàn)場布置方式均為水平布置，閥桿與導(dǎo)向套的配合方式為間隙配合。由于閥芯部位的質(zhì)量較大、閥桿部位質(zhì)量較小，從而導(dǎo)致閥桿在導(dǎo)向套之間“頭重腳輕”(閥芯向下傾斜)，閥芯與閥座密封面之間不能有效對中，從而導(dǎo)致密封面配合不嚴(yán)密。

并且，由于閥桿與導(dǎo)向套之間為間隙配合，異物、鐵銹等夾雜物長期存在進(jìn)入閥桿和導(dǎo)向套之間的可能，這就會導(dǎo)致閥芯組件的卡澀，出現(xiàn)正向不導(dǎo)通或反向不回座的問題。

圖3 含硼水冷卻隔離閥的閥芯和閥座密封面Fig.3 The disc and seat seal surface of boron water isolation check valve

2.4 焊接變形的問題分析

在化容加氫隔離閥的季度動作試驗不合格后，對閥門進(jìn)行了解體維修。研磨完成后重新進(jìn)行焊接，但出現(xiàn)多次焊接后密封不合格的問題。由于閥門口徑較小，堆焊焊接部位距離密封面較近，焊接溫度導(dǎo)致密封面出現(xiàn)變形(閥芯和閥座受熱變形不一致)，從而導(dǎo)致密封不滿足要求(見圖4)。

圖4 化容加氫隔離閥外部結(jié)構(gòu)和閥芯組件Fig.4 The layout overview and disc assembly of hydrogen isolation check valve

3 解決措施

針對以上多個軸流式止回閥安全殼泄漏率試驗和動作試驗不合格的問題，可以分別通過以下措施或方式進(jìn)行處理和糾正，從而提高軸流式止回閥的動作和密封的可靠性。

3.1 閥門上游增加濾網(wǎng)，控制介質(zhì)清潔度

通過解體檢查發(fā)現(xiàn)部分軸流式止回閥的內(nèi)部存在較多的鐵銹等異物夾雜，從而對閥門的密封帶來挑戰(zhàn)。為解決這一問題，該核電廠通過在部分軸流式止回閥上游(安全殼外)增加濾網(wǎng)的方式來實現(xiàn)對介質(zhì)清潔度控制，濾網(wǎng)的直徑不大于10 μm。增加的濾網(wǎng)濾芯可以進(jìn)行在線更換和壓差監(jiān)測，從而最大程度地減少系統(tǒng)內(nèi)異物對軸流式止回閥定期試驗的影響。

3.2 閥門布置方式的調(diào)整

由于軸流式止回閥均是水平布置，閥桿在導(dǎo)向套內(nèi)運(yùn)動實現(xiàn)行程動作。閥桿與導(dǎo)向套的安裝配合精度和裝配質(zhì)量不高，以及長期運(yùn)動導(dǎo)致的磨損，會導(dǎo)致閥芯與閥座之間的密封不對中，從而使密封失效。

通過將止回閥的布置方式由水平調(diào)整為立式布置形式，閥門入口在下，出口在上，既能保持常閉位置，又能利用閥芯自重進(jìn)行自找中，從而避免導(dǎo)向套間隙誤差對密封面造成的影響。但閥門布置方式調(diào)整后，由于增加了閥芯重量，會增加一定的閥門前后壓降，增加了系統(tǒng)的流阻。

3.3 密封面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由于閥門密封面為金屬硬密封，對密封面的表面研磨精度要求極高，在系統(tǒng)介質(zhì)不佳和長期開關(guān)動作后容易形成密封不滿足要求的情況。

改進(jìn)的閥芯密封面增加O型圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟密封的結(jié)構(gòu)能夠提高密封等級，并且原金屬密硬封結(jié)構(gòu)仍然保留，從而方便更換和維修。

圖5 軸流式止回閥優(yōu)化的密封結(jié)構(gòu)Fig.5 The optimized seal structure of nozzle check valve

3.4 閥門結(jié)構(gòu)形式的變更

由于軸流式止回閥的可維修性不佳，將小口徑的化容加氫隔離閥臨時變更為升降式止回閥。經(jīng)過評估分析對工藝系統(tǒng)流量的不穩(wěn)定性和流阻的影響在可接受的范圍內(nèi)，且安裝后使用效果良好。這提高了定期試驗的成功率并提高了小口徑軸流式止回閥的可維修性，消除了焊接變形對密封面的影響。

4 結(jié)論

本文主要通過對某核電廠作為安全殼隔離閥的軸流式止回閥定期試驗不合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，分類得出定期試驗不合格的原因主要為系統(tǒng)介質(zhì)異物、布置方式不合適、焊接變形以及導(dǎo)向?qū)χ袉栴}，并針對每項具體原因給出了相應(yīng)的解決措施和方案，給出的解決措施已在該核電廠進(jìn)行了部分實際驗證，目前效果良好，為核電廠軸流式止回閥作為安全殼隔離閥的定期監(jiān)督試驗問題的解決提供借鑒和參考。