試論核電廠(chǎng)閘閥的鍋爐效應現象
1、前言
1991年3月法國B(niǎo)UGEY核電廠(chǎng)5號機組進(jìn)行安全殼隔離閥EAS014VB密封性試驗時(shí)發(fā)現其無(wú)法開(kāi)啟，該事件促使法國電力公司(EDF)對所有閘閥不能開(kāi)啟的共模風(fēng)險和機理進(jìn)行了大量分析和研究。研究表明，在法國核電廠(chǎng)的初始設計中并沒(méi)有考慮鍋爐效應對閘閥的開(kāi)啟性能和密封性的影響。2003年國內引進(jìn)法國的某核電廠(chǎng)也曾出現因鍋爐效應導致閘閥的閥板嚴重變形進(jìn)而喪失其密封性的事件。另一個(gè)核電先進(jìn)國家美國則早在1989年就開(kāi)始了針對閘閥鍋爐效應現象的研究工作，美國核管會(huì )(USNRC)在通用信函(GL)95-07“Pressure Locking and Thermal Binding of Safety-Related Power-Operated Gate Valves”報告中，針對閘閥的鍋爐效應現象進(jìn)行了深入的分析，并提出潛在的解決方法。
隨著(zhù)近年來(lái)各國相關(guān)研究工作的不斷深入，鍋爐效應現象的危害和影響得到了更為廣泛的關(guān)注。本文試圖對鍋爐效應現象產(chǎn)生機理、安全影響和解決方案等方面進(jìn)行一些初步的探討。
2、現象機理
鍋爐效應本質(zhì)上是一種溫度效應，一些熱源會(huì )加熱處于關(guān)閉狀態(tài)的閘閥內部空間的水，并使該空間有一個(gè)較大的壓力上升。這一壓力升高將使得閘閥無(wú)法開(kāi)啟或閘板出現變形而不能保證其密封性。如圖1所示：通常閘閥都由兩個(gè)閥座和一個(gè)閘板組成，每個(gè)閥座都有一個(gè)密封面，而閘板上有兩個(gè)密封面。當在沒(méi)有壓差的情況下將閘閥關(guān)閉時(shí)，閘板上的兩個(gè)密封面都與兩個(gè)閥座的密封面緊密接觸。在設計壓差情況下，該壓差使閘板的一個(gè)密封面緊緊靠在低壓側的閥座密封面上，而此時(shí)閘板的另一個(gè)密封面將與高壓側的閥座密封面處于分離狀態(tài)�；谶@種情況，計算閘閥電動(dòng)頭在設計工況下的開(kāi)啟力矩時(shí)，僅需考慮閘板作用在一個(gè)閥座上的摩擦力。如果閘閥產(chǎn)生鍋爐效應，將使閥板同時(shí)與兩個(gè)閥座緊密接觸，此時(shí)需考慮閘板同時(shí)作用在兩個(gè)閥座上的摩擦力，閘閥實(shí)際需求的開(kāi)啟力矩若大于其電動(dòng)頭的設計值，則可能導致閘閥無(wú)法開(kāi)啟或閘板變形進(jìn)而喪失其密封性。
圖1 鍋爐效應原理示意圖
3、安全影響
當這些閘閥因為核安全的要求需要開(kāi)啟或者密封性必須保證時(shí)，鍋爐效應產(chǎn)生的后果將是非常嚴重的。導致鍋爐效應的熱源可以分為以下兩種情況：其一，是外部環(huán)境的溫度異常升高而傳遞給閘閥內部空間的熱量：失水事故(LOCA)和主蒸汽管道破口事故(MSLB)后，安全殼內環(huán)境高溫將會(huì )加熱那些位于安全殼內且處于關(guān)閉位置的閘閥的內部空間的液體，從而出現鍋爐效應;對于那些位于安全殼外側的安全殼隔離閘閥，LOCA和MSLB后安全殼內的熱量通過(guò)貫穿件及內部流體傳遞或是高溫的安注再循環(huán)水傳遞來(lái)的熱量都可能加熱這些閘閥的內部空間的液體，使其產(chǎn)生鍋爐效應。其二，對于那些靠近運行溫度高的系統(如反應堆冷卻劑系統和余熱排出系統等)且正常處于關(guān)閉位置的隔離閘閥，也會(huì )因為這些熱系統不斷地加熱這些閘閥的內部空間的液體而產(chǎn)生鍋爐效應。
對于那些在LOCA和MSLB事故后需要其開(kāi)啟的閘閥，鍋爐效應可能阻止它們的正常開(kāi)啟，這在安全上是絕對不能接受的。對于那些需要保持密封性的閘閥(比如安全殼隔離閥)，鍋爐效應可能影響它們的密封性，也將影響其安全功能。所以，必須對那些受鍋爐效應影響的閘閥進(jìn)行設計改進(jìn)，以避免這些效應的出現，從而使得這些閘閥能夠順利執行它們的安全功能。
4、解決方案
針對閘閥的鍋爐效應現象，可能的解決思路有如下三種：
思路一：更換電動(dòng)頭，加大電動(dòng)頭力矩
法國EDF和美國NRC都曾經(jīng)考慮過(guò)更換電動(dòng)頭的方案，該方案的思路是采用計算分析來(lái)判定電動(dòng)頭是否具有足夠的力矩來(lái)克服鍋爐效應。但是由于閥腔內部幾何參數、材料膨脹系數和摩擦系數難以確定，并且不同閥門(mén)所處環(huán)境因素不同(溫度、壓力等參數也難以確定)，所以閥門(mén)電動(dòng)頭的力矩難以確定，而且存在閥腔內的壓力存在超過(guò)閥門(mén)設計壓力的風(fēng)險。因此更換電動(dòng)頭的方案難度較大。
思路二：修改運行規程
美國NRC也曾考慮過(guò)利用修改運行規程來(lái)消除鍋爐效應，但是經(jīng)分析后認為修改運行規程難以從根本上解決問(wèn)題。
思路三：設備改造
美國NRC在GL95-07中建議了有關(guān)設備改造方面的方案。包括在閘板高壓側鉆孔、安裝一條旁通管線(xiàn)連通閥腔和高壓側、或安裝卸壓裝置等，其基本原理就是平衡高壓側與閥腔間壓力。法國EDF也提出了與之類(lèi)似原理的改造方案，根據閘閥兩側壓力環(huán)境不同，具體分為以下4種方案：
方案1：帶有雙向逆止閥的三通閥組(手動(dòng)隔離閥+雙向逆止閥)
該方案適用于閘閥兩側均有可能出現高壓的情況。具體方法是用不銹鋼管線(xiàn)將兩閘板上部空間和上下游都連接，這些管線(xiàn)上安裝有一個(gè)具有手動(dòng)隔離功能的雙向逆止閥(如圖2所示)。當閘閥上游側壓力大于下游側壓力時(shí)，三通閥組的平衡塊向下游低壓側移動(dòng)，使得閘閥的上游與閥腔連通，下游與閥腔隔斷，避免了閥腔超過(guò)上游壓力而產(chǎn)生的鍋爐效應，既確保了閥門(mén)的開(kāi)啟功能，也保障了閥門(mén)上游側至下游側的密封性。反之亦然，即在閘閥下游側壓力大于上游側壓力時(shí)，三通閥組的平衡塊向上游低壓側移動(dòng)，使得閘閥的下游與閥腔連通，上游與閥腔隔斷，避免了閥腔超過(guò)下游壓力而產(chǎn)生的鍋爐效應，既確保了閥門(mén)的開(kāi)啟功能，也保障了閥門(mén)下游側至上游側的密封性。正常運行時(shí)，三通閥組的兩個(gè)手動(dòng)隔離閥常開(kāi)，只有在進(jìn)行密封性試驗時(shí)關(guān)閉。
圖2 三通閥組的鍋爐效應改進(jìn)方案簡(jiǎn)圖
方案2：帶有單向逆止閥的二通閥組(具有手動(dòng)隔離子閥)
該方案適用于那些一側壓力HP在任何工況下都大于另一側壓力LP的閘閥，具體方法是用一管線(xiàn)將兩閘板上部空間和壓力大的一側旁通，該旁通管線(xiàn)上安裝有一個(gè)具有手動(dòng)隔離功能的逆止閥(如圖3所示)。逆止閥帶有壓緊彈簧，當閘板內部空間的壓力與高壓側HP的壓差大于彈簧整定值時(shí)才開(kāi)啟。手動(dòng)隔離閥一般情況下都保持開(kāi)啟，只是在對閘閥進(jìn)行密封性試驗時(shí)保持關(guān)閉。
圖3 二通閥組的鍋爐效應改進(jìn)方案簡(jiǎn)圖
方案3：僅帶有手動(dòng)隔離閥功能的閥組
該方案同方案2一樣，即適用于那些一側壓力HP在任何工況下都大于另一側壓力LP的閘閥，具體方法是用一管線(xiàn)將兩閘板上部空間和壓力大的一側旁通，該旁通管線(xiàn)上僅安裝有一個(gè)手動(dòng)隔離閥，但沒(méi)有單向逆止閥的功能(如圖4所示)。手動(dòng)隔離閥在正常運行情況下保持打開(kāi)，進(jìn)行密封性試驗時(shí)需關(guān)閉該閥。
方案4：閥座上鉆孔均壓
該方案適用于那些一側壓力HP在事故情況下都大于另一側壓力LP的閘閥，具體措施是在壓力大的一側的閥座上鉆孔來(lái)防止超壓。而對于在不同工況下需要保持雙向密封性的閥門(mén)，鉆孔不能滿(mǎn)足所有工況要求。而且該方案會(huì )導致無(wú)法進(jìn)行密封性試驗，所以通常并不推薦采用。
圖4 僅帶有手動(dòng)隔離閥功能的閥組的鍋爐效應改進(jìn)方案簡(jiǎn)圖
5、實(shí)例分析
下面以國內某M310型翻版核電廠(chǎng)受鍋爐效應影響的重要安全功能閘閥RIS063/064VP為例詳細加以說(shuō)明。如圖5所示，RIS063/064VP是低壓安注熱段安全殼外側隔離閥，正常運行時(shí)保持關(guān)閉，在事故后安注冷、熱端同時(shí)注入時(shí)需開(kāi)啟。如果RIS063/064VP不能正常開(kāi)啟，將影響安注功能。雖然該安全殼隔離閘閥比貫穿件位置低，且閥門(mén)本身熱對流區域長(cháng)度大于2倍的管道直徑，根據EDF判別鍋爐效應的準則，在LOCA和MSLB事故后，安全殼的內部熱量通過(guò)貫穿件的傳遞不足以引起閥門(mén)產(chǎn)生鍋爐效應。但由于安注管線(xiàn)的再循環(huán)水是從地坑吸來(lái)的120℃高溫流體，會(huì )對閘閥的內部空間的液體造成加熱，同時(shí)低壓安注泵運行時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)也將加速水的流動(dòng)，促進(jìn)熱傳導。因此RIS063/064VP在事故后很可能會(huì )產(chǎn)生鍋爐效應。因此，該核電廠(chǎng)向國家核安全局申請對RIS063/064VP閥門(mén)實(shí)施改造。在此改造申請的核安全審評過(guò)程中，審評人員主要對以下幾個(gè)方面重點(diǎn)加以關(guān)注。
5.1、改造的必要性
RIS063/064VP是低壓安注熱端的安全殼外側隔離閥，正常運行時(shí)需保持關(guān)閉，并保證閥門(mén)雙向密封性，在事故后安注冷熱端同時(shí)注入時(shí)需開(kāi)啟。如其不能正常開(kāi)啟，將影響安全注入功能。
圖5 某核電廠(chǎng)安注系統流程簡(jiǎn)圖
根據上面的分析，RIS063/064VP閘閥可能會(huì )產(chǎn)生鍋爐效應的結論是成立的。同時(shí)，申請者也通過(guò)概率安全評價(jià)(PSA)方法進(jìn)行了定量分析。PSA結果表明，對受鍋爐效應影響的閘閥開(kāi)啟失效參數作放大100倍和1000倍的敏感性分析，當RIS063/064VP的拒開(kāi)參數由3.0E-4(未考慮鍋爐效應影響時(shí)的基準頻率)升高至3.0E-2時(shí)，CDF將增加4%，而RIS063/064VP的拒開(kāi)參數升高至為3.0E-1時(shí)，CDF將增大126%。因此從堆芯安全的角度來(lái)看，通過(guò)設備改造以避免RIS063/064VP出現鍋爐效應，將有利于事故的緩解和處理，能夠顯著(zhù)避免堆芯損壞風(fēng)險的增大。因此，改造的必要性是充分的。
5.2、改造方案的合理性
通過(guò)分析，我們可以發(fā)現在不同工況下RIS063/064VP閥門(mén)兩側壓力均有可能出現高壓或低壓，因此前面所提到的EDF改造方案中的2、3、4項均不適用。另外，經(jīng)申請者計算表明，隨著(zhù)RIS063/064VP閥腔溫度升高，閥腔內部壓力必將超過(guò)閥門(mén)的設計壓力，有可能破壞閥門(mén)的結構和完整性，因此，修改電動(dòng)頭力矩的改造方案也無(wú)法采用。申請者申請采用的增設帶有雙向逆止閥的三通閥組的改造方案儼然是目前唯一可行的改造方案。
同時(shí)，申請者還承諾不改變閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間、不降低新增設備管線(xiàn)的安全級別、新增設備管線(xiàn)在強度上滿(mǎn)足規范要求、試驗驗證RIS063/064VP及新增閥門(mén)的密封性要求、不涉及對最終安全分析報告、運行技術(shù)規范等執照申請文件的影響等。
5.3、與法規、標準的符合性
《法國900MWe壓水堆核電站系統設計和建造規則》RCC-P&2.1.3.3.3節中有如下規定：“應按下述規則之一設置隔離閥：安全殼內一個(gè)自動(dòng)隔離閥，安全殼外一個(gè)自動(dòng)隔離閥……簡(jiǎn)單的止回閥不能用作安全殼外的自動(dòng)隔離閥”。由于改造方案中手動(dòng)閥常開(kāi)，此改造方案實(shí)質(zhì)上是用雙向逆止閥旁路了RIS063/064VP閥門(mén)，這顯然與RCC-P中的安全殼隔離要求是有出入的。
綜上，雖然申請者目前尚難以充分說(shuō)明此改造方案與法規、標準的符合性，但考慮到RIS063/064VP閥門(mén)產(chǎn)生鍋爐效應帶來(lái)的安全隱患及其巨大風(fēng)險，權衡利弊，對該閥門(mén)進(jìn)行改造是勢在必行的。另外，審評人員了解到法國核安全當局已批準了該改造方案，法國同類(lèi)型機組都已完成了此項改造，且改造后運行情況良好�；诜▏鴮�(shí)踐和以上綜合考慮，國家核安全局批準申請者實(shí)施此改造方案。
6、結束語(yǔ)
鑒于在有限的核電發(fā)展歷史中，閘閥鍋爐效應現象時(shí)有發(fā)生，鍋爐效應帶來(lái)的危害和風(fēng)險又是安全上難以接受的，核工業(yè)界應繼續深入研究鍋爐效應現象的機理和防范措施。已有核電廠(chǎng)應排查電廠(chǎng)系統中所有可能受鍋爐效應影響的閘閥，并對其中安全重要的閘閥進(jìn)行改造，而新設計的核電廠(chǎng)則應考慮通過(guò)合理布置、閥門(mén)選型等其他手段從根本上杜絕鍋爐效應的產(chǎn)生，以確保核電安全。
