核電站閘閥外漏原因的分析及其預防措施

　　總結了我國現有核電站閘閥使用的實(shí)踐經(jīng)驗，分析了閘閥外漏的原因，提出了技術(shù)性的預防措施和制造及使用過(guò)程中應采取的外漏預防措施。

1、概述

　　閥門(mén)分布于核電站的各回路控制系統中，對核電站的安全性起到極為重要的作用。目前，我國核電站使用的閥門(mén)中，球閥、蝶閥、截止閥、止回閥和隔膜閥等閥門(mén)基本實(shí)現了國產(chǎn)化，外漏預防措施較為完善。閘閥口徑較大，主要使用在反應堆主回路系統(RCP)、化學(xué)和容積控制系統(RCV)、安全注入系統(RIS)和安全殼噴淋系統(EAS)等重要系統，大部分工作介質(zhì)是帶有放射性的液體，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為其工作溫度、工作壓力和安全等級較高，在核電廠(chǎng)中起著(zhù)不可或缺的作用。長(cháng)期以來(lái)，重要閘閥主要依賴(lài)于進(jìn)口。

　　本文通過(guò)分析國外先進(jìn)的核電閘閥技術(shù)和我國現有核電站閘閥使用的實(shí)際情況，提出了針對性的預防措施，以降低核電運行中發(fā)生閘閥外漏的風(fēng)險。

2、分析

　　閘閥是一種截斷閥，啟閉件閘板的運動(dòng)方向與流體方向垂直，閘閥只能作全開(kāi)和全關(guān)，不能作調節和節流。閘閥的結構相對復雜，一般由閥體、閥蓋、閘板、閥座、閥桿、填料、螺柱、螺母、止動(dòng)墊片以及相應的執行機構組成(圖1)。

圖1　核級電動(dòng)閘閥

　　閥門(mén)的外密封部位主要有填料與閥桿和填料函的配合處及閥體與閥蓋的中法蘭連接處，主要涉及的部位包括閥體、閥蓋、中法蘭的連接位置和閥桿密封處(表1)。閥門(mén)出現外漏，即介質(zhì)從閥內泄漏到閥外。核級閥門(mén)發(fā)生外漏，則意味著(zhù)有帶有放射性的介質(zhì)將會(huì )釋放到環(huán)境中，而這是核電站設計所不允許的。因此，在核電站的安全預防中，設備設計中應盡可能避免放射性介質(zhì)外部泄漏的可能性。

表1　閘閥外漏部位及原因

3、預防閘閥外漏的技術(shù)措施

　　3.1、閥體

　　閥體外漏的主要原因是閥門(mén)生產(chǎn)過(guò)程中鑄造或鍛造缺陷所引起的，如砂眼、氣孔及裂紋等。在設計和生產(chǎn)過(guò)程中，主要通過(guò)選材和加強材料檢驗預防閥體外漏。

　　(1)選用材料。目前，核電站中常用的閥體材料有RCC-M規定的材料，如Z3CN20-09M(不銹鋼鑄件)、Z3CND19-10M(不銹鋼鑄件)、Z2CN19-10NS(不銹鋼鍛件)、Z2CND18-12NS(不銹鋼鍛件)、Z2CN18-10(不銹鋼鍛件)、Z2CND17-12(不銹鋼鍛件)和20MN5M(碳鋼鑄件)等。鑄件材料是可以選用的材料，但由于鑄件在生產(chǎn)制造過(guò)程中缺陷較多，有些細小裂紋也可能在核電站的運行過(guò)程中發(fā)生蠕變變形等。鍛造閥體消除了內部缺陷和裂紋，具有更好的耐應力和抗晶間腐蝕特性，材料的晶間結構均勻，可靠性較高。在核電站的設計中，高溫高壓的閘閥應選用鍛造閥體。

　　(2)閥體材料檢驗。在核電站中使用的閘閥材料需要通過(guò)先進(jìn)的設備、科學(xué)的方法進(jìn)行檢測，發(fā)現閥體和閥蓋等承壓元件上的細微缺陷。目前，對于材料的檢驗手段一般為射線(xiàn)檢驗、超聲波檢驗和液體滲透檢驗等，并且要由擁有這些檢驗合格證書(shū)的人員進(jìn)行操作檢驗。在檢驗過(guò)程中，要對閘閥材料進(jìn)行逐一檢驗，而不是采用抽檢的方式。

　　3.2、中法蘭連接

　　中法蘭螺栓連接是核島中閘閥閥體與閥蓋連接的主要形式。閘閥用于高溫高壓的環(huán)境，在核電站停堆換料等過(guò)程中閥門(mén)將被冷卻，在這種溫度不斷變換的條件下，可能會(huì )發(fā)生泄漏。發(fā)生泄漏的原因與中法蘭墊片失效和螺栓、螺母松動(dòng)有關(guān)。因此，在閥門(mén)的設計過(guò)程中對這些因素進(jìn)行考慮，選用滿(mǎn)足核電要求的有資質(zhì)并經(jīng)過(guò)試驗驗證的墊片，選用滿(mǎn)足RCC-M要求的螺栓、螺母，并增加止動(dòng)墊片，保證螺母不會(huì )松動(dòng)。閘閥閥體和閥蓋中法蘭密封失效的特殊的補救措施為唇邊焊(圖2)，應保證唇邊能夠進(jìn)行3次切割。唇邊焊只是在發(fā)生外漏事故時(shí)的一種備用手段，只在緊急情況下使用。

圖2　帶有焊接密封唇的閥體與閥蓋連接

　　3.3、閥桿密封

　　(1)填料和碟形彈簧

　　閘閥的閥桿與閥蓋密封填料的壓緊力需要計算確定。壓緊力過(guò)大或過(guò)小都不能滿(mǎn)足要求。在設計閥桿密封結構時(shí)應合理確定填料層數、填料壓緊力和填料尺寸，并對加工過(guò)程中的尺寸公差給出嚴格的范圍，且在加工過(guò)程中有據可查并且要嚴格執行。選用填料時(shí)，不僅要考慮工作溫度，還要考慮填料的摩擦對控制過(guò)程所造成的影響、介質(zhì)放射性對填料壽命的影響等，并且選用滿(mǎn)足核電要求的有資質(zhì)并經(jīng)過(guò)試驗驗證的專(zhuān)用填料材料。

　　由于填料的磨損和熱燒損，將會(huì )出現應力松弛的現象，彈簧加載是補償應力松弛的有效方法，如在填料壓蓋上加載碟形彈簧(圖3)�？梢酝ㄟ^(guò)碟形彈簧的作用，調節填料的壓緊程度，補償填料的變形，從而提高填料的密封自調節能力，改善密封性能。

　　(2)引漏管

　　在核電站閥門(mén)設計中，特別是對于介質(zhì)帶放射性的閥門(mén)，為了預防在填料處發(fā)生外漏，并將可能的泄漏集中收集，采用在填料的中間位置加上引漏管(圖4)的方式。這種形式的填料由3部分構成，上部和下部由若干層起密封作用的非金屬填料疊放組成，中間設置金屬“燈籠”環(huán)。“燈籠”環(huán)處有環(huán)形空間可以滯留和收集從下部填料來(lái)的泄漏介質(zhì)。在“燈籠”環(huán)處的閥蓋上打孔并焊接一引漏管，用于將泄漏介質(zhì)從引漏管導出到收集疏排水的回收系統。引漏管的設計相當于在填料設計時(shí)增加了一個(gè)防護方式。當介質(zhì)在壓力作用下沿填料向上，到達中間“燈籠”環(huán)位置時(shí)，壓力降低，且由于引漏管處壓力幾乎為0，促使介質(zhì)從引漏管處流出，而不再繼續往上層填料處流動(dòng)，從而避免了介質(zhì)繼續沿閥桿向上方外漏。從引漏管處流出的介質(zhì)通過(guò)核電廠(chǎng)疏水排氣系統管道進(jìn)行收集，并經(jīng)過(guò)三廢處理系統進(jìn)行處理。

圖3　填料壓蓋帶有碟形彈簧

圖4　閥蓋上帶有引漏管

　　(3)上密封

　　上密封由閥蓋孔與閥桿頭部接觸部位組成。上密封也是防止介質(zhì)從閥桿密封處發(fā)生外漏的一種措施。當上密封完全接觸時(shí)，要求的泄漏量極小，不超過(guò)0.04cm3/(td)，式中d為閥桿直徑，mm;t為時(shí)間，h。上密封不得依賴(lài)于系統壓力即可達到規定的密封性能。上密封應具有使閥桿承受全系統壓力的能力。一般情況下不使用上密封，只有當閘閥填料發(fā)生外漏時(shí)，才投入使用，從而保證閘閥可以運行到換料期間，而從閥桿填料位置沒(méi)有大量工作介質(zhì)漏出，或者可以保證在核電廠(chǎng)運行期間更換填料而減小輻射劑量。

　　電動(dòng)閘閥的開(kāi)啟點(diǎn)不設置在閥門(mén)全開(kāi)的位置，設置點(diǎn)不與閥蓋接觸，稍微留有一定的裕量。這樣設置的目的是為避免由于電動(dòng)頭的工作精度以及其他零部件相互配合的工作精度問(wèn)題造成電動(dòng)頭行程開(kāi)關(guān)尚未動(dòng)作而閥門(mén)上密封已接觸的情況，導致對上密封或閥蓋的沖擊破壞，從而影響閥門(mén)的正常使用壽命。當電動(dòng)閥門(mén)需要使用上密封時(shí)，通過(guò)電動(dòng)裝置的手輪進(jìn)行手動(dòng)操作。

　　在核電站中用于高溫高壓的閘閥，一般上密封的密封面上也采用堆焊司太立硬質(zhì)合金的方式，這樣可以增加上密封的使用壽命。

4、制造與使用中預防外漏的措施

　　4.1、制造過(guò)程

　　閘閥的生產(chǎn)過(guò)程應具備健全的質(zhì)量保證體系，加強生產(chǎn)管理，在制造完成后進(jìn)行試驗檢驗。閘閥出廠(chǎng)針對外漏進(jìn)行的試驗有殼體強度試驗、上密封試驗和閥桿密封實(shí)驗。

　　(1)殼體強度試驗必須在閥門(mén)涂漆之前進(jìn)行。試驗時(shí)，閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，試驗壓力為1.5倍的閥門(mén)的最大許用壓力，保壓時(shí)間為10min或6min(每厘米最小壁厚)之中的較大值。

　　(2)上密封試驗時(shí)，閥門(mén)處于上密封狀態(tài)，填料壓蓋處于松弛狀態(tài)，試驗壓力為1.0倍的最大許用壓力。保壓時(shí)間不少于10min。驗收標準為泄漏量不超過(guò)0.04cm3/(td)。

　　(3)閥桿密封試驗時(shí)，閥門(mén)處于半開(kāi)啟狀態(tài)，填料壓蓋以推薦的力矩壓緊，試驗壓力為1.0倍的最大許用壓力。DN≤100時(shí)，保壓時(shí)間至少5min。DN>100時(shí)，保壓時(shí)間至少15min，中間引漏管處的泄漏量不允許超過(guò)0.04cm3/(td)，其余處不允許有泄漏。

　　4.2、使用過(guò)程

　　在核電站的運行調試階段，進(jìn)行水壓試驗，通過(guò)試驗確保設備的功能滿(mǎn)足要求，在此過(guò)程中檢查確保閘閥無(wú)外漏。在核電站運行階段，根據在役檢查大綱要求，在計劃停堆期間對閘閥進(jìn)行檢查并定期更換閘閥的填料。通過(guò)定期檢查和更換填料，及時(shí)發(fā)現和消除外漏隱患，確保核電站的安全。

5、結語(yǔ)

　　隨著(zhù)我國核電站的大力發(fā)展，以及機械加工制造能力的提高，閘閥的國產(chǎn)化是一種必然趨勢。通過(guò)分析閘閥外漏的關(guān)鍵原因，及采用相應的預防措施，為核電站閘閥國產(chǎn)化提供一些技術(shù)參考。