丁 濤，胡 靖

（中國(guó)核電工程有限公司華東分公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

核電廠主蒸汽安全閥（亦稱蒸汽發(fā)生器安全閥，簡(jiǎn)稱MSSV）安裝在蒸汽發(fā)生器出口，用于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)和主蒸汽管道提供超壓保護(hù)。作為二回路壓力邊界，主蒸汽安全閥的運(yùn)行可靠性直接影響電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。某核電廠的主蒸汽安全閥安裝在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口的主蒸汽管道上，正常運(yùn)行時(shí)閥門入口壓力為6.8～7.6 MPa（絕壓）（即絕對(duì)壓力）、出口壓力為大氣壓，一旦閥門密封不嚴(yán)、出現(xiàn)內(nèi)漏情況，可能進(jìn)一步損傷密封面，閥門泄漏率逐漸增大，而泄漏故障的處理需要停堆，經(jīng)濟(jì)損失極大。

1 主蒸汽安全閥介紹

該核電廠主蒸汽安全閥為德國(guó)Bopp&Reuther 公司的Si 9507 Type H 型碟簧式安全閥，其整定值ps使得在緊急工況和事故下蒸汽發(fā)生器和主蒸汽管線的最大壓力不會(huì)超過(guò)其設(shè)計(jì)壓力的110%。在考慮到主蒸汽管道的壓降、閥門特性和整定值的誤差之后，將整定值分別設(shè)為8.7 MPa（絕壓）和8.5 MPa（絕壓）。

每條主蒸汽管線上有7 臺(tái)閥門，3 條主蒸汽管線共21 臺(tái)閥門。每條管線的安全閥整定值稍有不同，交錯(cuò)分為兩組：第一組安全閥，每條管線2 臺(tái)閥門，整定值為8.5 MPa（絕壓）；第二組安全閥，每條管線5 臺(tái)閥門，整定值為8.7 MPa（絕壓）。

該主蒸汽安全閥主要由閥體（包括進(jìn)出口管嘴）、閥瓣、閥桿、中法蘭下底板、滑動(dòng)襯套、碟簧和調(diào)整彈簧等部分組成，閥門通過(guò)碟簧設(shè)置整定壓力，彈簧力通過(guò)閥桿傳遞給閥瓣，給閥門密封面提供密封力，保證正常運(yùn)行期間閥門不泄漏。

2 泄漏故障分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)相同閥門電廠數(shù)據(jù)，分析閥門的泄漏集中出現(xiàn)在7.4～7.7 MPa 的壓力平臺(tái)（基本在88%ps～92%ps），并且在后續(xù)解體過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)泄漏閥門的密封面有明顯缺陷。這種閥門進(jìn)口壓力低于閥門整定壓力時(shí)，閥瓣與閥座密封面間的微小泄漏問(wèn)題，是典型的安全閥前漏問(wèn)題。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主蒸汽安全閥在96%ps 以前不允許出現(xiàn)前漏問(wèn)題。

閥門的泄漏與很多因素有關(guān)，如被密封的流體性質(zhì)、工作溫度以及密封面的表面狀況、結(jié)構(gòu)形式、材料、內(nèi)外壓差、密封壓力等。本文根據(jù)B&R 安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從密封面表面狀況、閥瓣的結(jié)構(gòu)形式兩個(gè)方面，與Griss 安全閥進(jìn)行比較、分析。

2.1 泄漏的基本理論

恒溫氣體泄漏率q1g公式為：

式中 d1——泄漏通道直徑，mm

l——泄漏通道長(zhǎng)度，mm

ηg——?dú)怏w動(dòng)力黏度，μPa·s

p1——上游壓力，MPa

p2——下游壓力，MPa

pav——為泄漏通道兩側(cè)的壓力平均值，MPa

由式（1）可知，氣體泄漏率與d1的四次方成正比，閥門的密封性受d1的影響非常大。d1為密封面貼合后波峰、波谷形成的通道直徑，與密封面的表面狀況、密封比壓有重要關(guān)系，密封比壓使密封副相接觸的凸峰發(fā)生變形而被壓平，使d1減小。

2.2 閥門密封面表面狀況

2.2.1 密封面研磨要求的差別

某核電的1#～4#機(jī)組中，Griss 安全閥密封面在研磨無(wú)明顯劃痕后，使用9 μm 或6 μm 的砂紙研磨、拋光，確保密封面上沒(méi)有任何可見痕跡，密封面為鏡面。并使用干涉光檢測(cè)（鈉燈、平晶組合）平面狀況，要求干涉條紋不得超過(guò)10 條，即平面度小于3 μm。在實(shí)際檢修時(shí)，干涉條紋內(nèi)控為5 條，即平面度為1.5 μm。在這個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)下，Griss 安全閥未發(fā)生泄漏問(wèn)題。

經(jīng)查詢B&R 安全閥的EOMM 手冊(cè)并與閥門廠家確認(rèn)，此閥門的密封面驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為目視檢查，閥瓣上不允許有劃痕；閥座上不允許有較大的劃痕及貫穿性劃痕；密封面內(nèi)圈不允許有點(diǎn)坑，研磨產(chǎn)生的環(huán)狀痕跡、密封面外圈有點(diǎn)坑可以接受。

2.2.2 干涉光檢測(cè)的結(jié)論

按照廠家的要求對(duì)閥門密封面進(jìn)行研磨，研磨完成后的按照廠家驗(yàn)收要求進(jìn)行目視檢查，在滿足廠家相關(guān)要求后，再次用干涉光平晶檢測(cè)方法再次檢查。密封面出現(xiàn)干涉條紋呈魚鱗狀條紋，密封面研磨效果較差、平面度較差，有進(jìn)一步提高的空間。

2.3 閥門密封比壓的情況

2.3.1 閥門密封面的密封比壓

閥門密封面上實(shí)際作用的密封比壓q1，為密封面上所承受的合力與有效的受力面積的比值：

式中 ps——閥門的整定壓力，MPa

p——介質(zhì)工作壓力，MPa

D1——閥門密封面外徑，mm

D2——閥門密封面內(nèi)徑，mm

Dm——閥門密封面中徑（即D1和D2的均值），mm

2.3.2 密封面必須密封比壓

為實(shí)現(xiàn)密封，在系統(tǒng)壓力下閥門密封面的實(shí)際密封比壓必須要大于密封面的必須密封比壓qb。

式中 m——對(duì)于空氣、蒸汽等氣體介質(zhì)以及高于100 ℃的液體，取值為1.4

C——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)，鋼和硬質(zhì)合金的取值為3.5

K——在給定密封面材料條件下，考慮介質(zhì)壓力對(duì)比壓值的影響系數(shù)，鋼和硬質(zhì)合金一般取值為1

b——密封面寬度（即D1和D2的均值），mm

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研磨后，可以進(jìn)行實(shí)際測(cè)量得到閥門密封面的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于閥門整定壓力為固定值，密封面內(nèi)徑、外徑、密封面寬度、密封面中徑為每臺(tái)閥門的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)且固定不變，當(dāng)系統(tǒng)壓力P 發(fā)生變化時(shí)，qb和q1同時(shí)發(fā)生變化。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，熱停狀態(tài)零功率和滿功率分別對(duì)應(yīng)的二回路壓力約7.4 MPa 和6.8 MPa。對(duì)比閥門密封面的q1和qb可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組正常運(yùn)行二回路壓力6.8 MPa 左右時(shí)，qb＜q1，閥門密封面能夠完全密封無(wú)泄漏；在系統(tǒng)處于0 功率狀態(tài)7.4 MPa 左右時(shí)，q1＜qb，閥門密封面可能無(wú)法形成完全密封，閥門可能出現(xiàn)前漏現(xiàn)象。

根據(jù)式（2），對(duì)于直接作用彈簧式安全閥，在壓力整定值不變的情況下，系統(tǒng)壓力越大實(shí)際的密封比壓越小。而同樣的密封面，如果系統(tǒng)介質(zhì)壓力越大，其所需要的必須密封比壓也就越大。這就導(dǎo)致彈簧式安全閥在系統(tǒng)壓力接近開啟壓力時(shí)肯定會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏，即所謂為的“前漏”，這種現(xiàn)象是不可避免的。從實(shí)際密封比壓和必須密封比壓的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，此壓力平臺(tái)下密封面上的密封比壓已經(jīng)不足，且已經(jīng)影響到安全閥的可靠密封。

2.4 閥瓣的結(jié)構(gòu)形式

2.4.1 閥瓣結(jié)構(gòu)的差別

（1）閥桿端部采用球形頭，閥桿與閥瓣為線接觸，閥瓣與閥桿之間允許有一個(gè)小角度的移動(dòng)，可以保證閥桿能較好地對(duì)準(zhǔn)閥瓣中心而不受彈簧偏斜的影響，并確保密封面各方向密封力均衡，有效降低蒸汽管道振動(dòng)對(duì)閥門密封的不利影響。

（2）B&R 安全閥采用平面閥瓣形式，閥桿將彈簧力傳遞給閥瓣的受力點(diǎn)在密封面以上。而Griss 安全閥采用撓性閥瓣形式，閥桿將彈簧力傳遞給閥瓣的受力點(diǎn)在密封面以下。

2.4.2 閥瓣結(jié)構(gòu)對(duì)閥門密封的影響

對(duì)于撓性閥瓣，閥瓣同閥座的接觸面寬度隨著閥前壓力的減少而增大。在沒(méi)有介質(zhì)壓力的情況下，閥瓣接觸面積增大，能夠避免過(guò)大的接觸應(yīng)力；但在介質(zhì)壓力升高的過(guò)程中，密封壓力逐漸減小，閥瓣密封面會(huì)由其外徑對(duì)應(yīng)的面積向其內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的面積變化。在這個(gè)過(guò)程中，密封面的接觸寬度減小，在一定程度上增加了安全閥的密封比壓，從而使閥門前漏點(diǎn)推遲。

隨著壓力的升高，撓性閥瓣的最大接觸壓力由密封面的外側(cè)轉(zhuǎn)移到密封面的內(nèi)側(cè)，且內(nèi)側(cè)的最大密封面壓力隨著介質(zhì)壓力的增加而升高。在壓力較高的平臺(tái)，撓性閥瓣的最大密封面壓力明顯大于平面閥瓣，其中壓力為7.5 MPa 時(shí)，平面閥瓣上的最大接觸壓力為7.8 MPa，而撓性閥瓣上的最大接觸壓力為27.1 MPa。因此，當(dāng)介質(zhì)壓力接近ps 大于90%ps 時(shí)，撓性閥瓣比平面閥瓣有著更高的接觸壓力，密封性優(yōu)于平面閥瓣。

3 B&R 安全閥的改進(jìn)情況

通過(guò)上述分析，可知B&R 安全閥在密封面的研磨、閥瓣的結(jié)構(gòu)形式方面存在一些不足，并給閥門的正常運(yùn)行帶來(lái)一定不良影響。針對(duì)這些不足，提出以下改進(jìn)建議。

3.1 提高安全閥的研磨要求

僅用目視檢查方式檢查閥門密封面表面質(zhì)量，受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、能力影響較大，且目視檢查結(jié)果誤差較大，難以保證密封面表面質(zhì)量滿足要求，所以采用合適的檢查手段非常有必要。

目前平行光干涉法是檢查密封表面質(zhì)量的非常精準(zhǔn)的手段。該核電5 號(hào)機(jī)組二回路水壓后，對(duì)主蒸汽安全閥門密封面進(jìn)行了分階段研磨，并用鈉光燈進(jìn)行密封面檢測(cè)。

（1）第一階段：按照廠家人員經(jīng)驗(yàn)及閥門密封面研磨要求，使用9 μm 的砂紙完成閥瓣研磨、拋光，目視檢查驗(yàn)收合格后，使用鈉燈、平晶進(jìn)行檢查，普遍出現(xiàn)干涉條紋呈數(shù)量密集的魚鱗狀。

（2）第二階段：重新使用9 μm 或5 μm 砂紙進(jìn)行反復(fù)拋光后，能達(dá)到4～6 條干涉條紋。

（3）第三階段：使用3 μm 砂紙或研磨膏精研拋光后，可以達(dá)到3 條以內(nèi)干涉條紋要求。

該核電廠5 號(hào)機(jī)組熱態(tài)功能試期間（二回路約7.4 MPa），主蒸汽安全閥運(yùn)行情況良好，未發(fā)現(xiàn)前漏情況；在主蒸汽閥全閥校驗(yàn)試驗(yàn)之后（校驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)壓力6.8 MPa），未發(fā)現(xiàn)前漏情況；系統(tǒng)壓力再次上升至7.4 MPa 時(shí)，個(gè)別閥門在回座后有少量泄漏（可見漂汽現(xiàn)象），運(yùn)行一段時(shí)間后消失。

3.2 改變閥瓣結(jié)構(gòu)形式

從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，B&R 安全閥采用的平面密封形式在高壓力平臺(tái)大概率發(fā)生前漏現(xiàn)象，密封性能不及Griss 安全閥，可以考慮調(diào)整為撓性閥瓣形式。建議可以將閥瓣密封面中間位置切削去一部分，加工成類似Griss 安全閥的撓性閥瓣，同時(shí)將閥桿與閥瓣的接觸位置調(diào)整至位于密封面以下。

4 結(jié)論

本文對(duì)B&R 安全閥的結(jié)構(gòu)、密封面表面狀況、閥瓣的結(jié)構(gòu)形式角度進(jìn)行分析，指出導(dǎo)致泄漏的可能因素，并給出后續(xù)的改進(jìn)建議，未來(lái)可以從提高密封面研磨要求、閥瓣結(jié)構(gòu)改變等方面進(jìn)行改進(jìn)，以減少閥門前漏的情況，提高閥門運(yùn)行的可靠性。