試論核電廠閘閥的鍋爐效應(yīng)現(xiàn)象
1、前言
1991年3月法國BUGEY核電廠5號機組進行安全殼隔離閥EAS014VB密封性試驗時發(fā)現(xiàn)其無法開啟，該事件促使法國電力公司(EDF)對所有閘閥不能開啟的共模風(fēng)險和機理進行了大量分析和研究。研究表明，在法國核電廠的初始設(shè)計中并沒有考慮鍋爐效應(yīng)對閘閥的開啟性能和密封性的影響。2003年國內(nèi)引進法國的某核電廠也曾出現(xiàn)因鍋爐效應(yīng)導(dǎo)致閘閥的閥板嚴重變形進而喪失其密封性的事件。另一個核電先進國家美國則早在1989年就開始了針對閘閥鍋爐效應(yīng)現(xiàn)象的研究工作，美國核管會(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(yīng)現(xiàn)象進行了深入的分析，并提出潛在的解決方法。
隨著近年來各國相關(guān)研究工作的不斷深入，鍋爐效應(yīng)現(xiàn)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(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生機理、安全影響和解決方案等方面進行一些初步的探討。
2、現(xiàn)象機理
鍋爐效應(yīng)本質(zhì)上是一種溫度效應(yīng)，一些熱源會加熱處于關(guān)閉狀態(tài)的閘閥內(nèi)部空間的水，并使該空間有一個較大的壓力上升。這一壓力升高將使得閘閥無法開啟或閘板出現(xiàn)變形而不能保證其密封性。如圖1所示：通常閘閥都由兩個閥座和一個閘板組成，每個閥座都有一個密封面，而閘板上有兩個密封面。當(dāng)在沒有壓差的情況下將閘閥關(guān)閉時，閘板上的兩個密封面都與兩個閥座的密封面緊密接觸。在設(shè)計壓差情況下，該壓差使閘板的一個密封面緊緊靠在低壓側(cè)的閥座密封面上，而此時閘板的另一個密封面將與高壓側(cè)的閥座密封面處于分離狀態(tài)�；谶@種情況，計算閘閥電動頭在設(shè)計工況下的開啟力矩時，僅需考慮閘板作用在一個閥座上的摩擦力。如果閘閥產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)，將使閥板同時與兩個閥座緊密接觸，此時需考慮閘板同時作用在兩個閥座上的摩擦力，閘閥實際需求的開啟力矩若大于其電動頭的設(shè)計值，則可能導(dǎo)致閘閥無法開啟或閘板變形進而喪失其密封性。
圖1 鍋爐效應(yīng)原理示意圖
3、安全影響
當(dāng)這些閘閥因為核安全的要求需要開啟或者密封性必須保證時，鍋爐效應(yīng)產(chǎn)生的后果將是非常嚴重的。導(dǎo)致鍋爐效應(yīng)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(nèi)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(nèi)環(huán)境高溫將會加熱那些位于安全殼內(nèi)且處于關(guān)閉位置的閘閥的內(nèi)部空間的液體，從而出現(xiàn)鍋爐效應(yīng);對于那些位于安全殼外側(cè)的安全殼隔離閘閥，LOCA和MSLB后安全殼內(nèi)的熱量通過貫穿件及內(nèi)部流體傳遞或是高溫的安注再循環(huán)水傳遞來的熱量都可能加熱這些閘閥的內(nèi)部空間的液體，使其產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)。其二，對于那些靠近運行溫度高的系統(tǒng)(如反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)等)且正常處于關(guān)閉位置的隔離閘閥，也會因為這些熱系統(tǒng)不斷地加熱這些閘閥的內(nèi)部空間的液體而產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)。
對于那些在LOCA和MSLB事故后需要其開啟的閘閥，鍋爐效應(yīng)可能阻止它們的正常開啟，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(yīng)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(yīng)影響的閘閥進行設(shè)計改進，以避免這些效應(yīng)的出現(xiàn)，從而使得這些閘閥能夠順利執(zhí)行它們的安全功能。
4、解決方案
針對閘閥的鍋爐效應(yīng)現(xiàn)象，可能的解決思路有如下三種：
思路一：更換電動頭，加大電動頭力矩
法國EDF和美國NRC都曾經(jīng)考慮過更換電動頭的方案，該方案的思路是采用計算分析來判定電動頭是否具有足夠的力矩來克服鍋爐效應(yīng)。但是由于閥腔內(nèi)部幾何參數(shù)、材料膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)難以確定，并且不同閥門所處環(huán)境因素不同(溫度、壓力等參數(shù)也難以確定)，所以閥門電動頭的力矩難以確定，而且存在閥腔內(nèi)的壓力存在超過閥門設(shè)計壓力的風(fēng)險。因此更換電動頭的方案難度較大。
思路二：修改運行規(guī)程
美國NRC也曾考慮過利用修改運行規(guī)程來消除鍋爐效應(yīng)，但是經(jīng)分析后認為修改運行規(guī)程難以從根本上解決問題。
思路三：設(shè)備改造
美國NRC在GL95-07中建議了有關(guān)設(shè)備改造方面的方案。包括在閘板高壓側(cè)鉆孔、安裝一條旁通管線連通閥腔和高壓側(cè)、或安裝卸壓裝置等，其基本原理就是平衡高壓側(cè)與閥腔間壓力。法國EDF也提出了與之類似原理的改造方案，根據(jù)閘閥兩側(cè)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(手動隔離閥+雙向逆止閥)
該方案適用于閘閥兩側(cè)均有可能出現(xiàn)高壓的情況。具體方法是用不銹鋼管線將兩閘板上部空間和上下游都連接，這些管線上安裝有一個具有手動隔離功能的雙向逆止閥(如圖2所示)。當(dāng)閘閥上游側(cè)壓力大于下游側(cè)壓力時，三通閥組的平衡塊向下游低壓側(cè)移動，使得閘閥的上游與閥腔連通，下游與閥腔隔斷，避免了閥腔超過上游壓力而產(chǎn)生的鍋爐效應(yīng)，既確保了閥門的開啟功能，也保障了閥門上游側(cè)至下游側(cè)的密封性。反之亦然，即在閘閥下游側(cè)壓力大于上游側(cè)壓力時，三通閥組的平衡塊向上游低壓側(cè)移動，使得閘閥的下游與閥腔連通，上游與閥腔隔斷，避免了閥腔超過下游壓力而產(chǎn)生的鍋爐效應(yīng)，既確保了閥門的開啟功能，也保障了閥門下游側(cè)至上游側(cè)的密封性。正常運行時，三通閥組的兩個手動隔離閥常開，只有在進行密封性試驗時關(guān)閉。
圖2 三通閥組的鍋爐效應(yīng)改進方案簡圖
方案2：帶有單向逆止閥的二通閥組(具有手動隔離子閥)
該方案適用于那些一側(cè)壓力HP在任何工況下都大于另一側(cè)壓力LP的閘閥，具體方法是用一管線將兩閘板上部空間和壓力大的一側(cè)旁通，該旁通管線上安裝有一個具有手動隔離功能的逆止閥(如圖3所示)。逆止閥帶有壓緊彈簧，當(dāng)閘板內(nèi)部空間的壓力與高壓側(cè)HP的壓差大于彈簧整定值時才開啟。手動隔離閥一般情況下都保持開啟，只是在對閘閥進行密封性試驗時保持關(guān)閉。
圖3 二通閥組的鍋爐效應(yīng)改進方案簡圖
方案3：僅帶有手動隔離閥功能的閥組
該方案同方案2一樣，即適用于那些一側(cè)壓力HP在任何工況下都大于另一側(cè)壓力LP的閘閥，具體方法是用一管線將兩閘板上部空間和壓力大的一側(cè)旁通，該旁通管線上僅安裝有一個手動隔離閥，但沒有單向逆止閥的功能(如圖4所示)。手動隔離閥在正常運行情況下保持打開，進行密封性試驗時需關(guān)閉該閥。
方案4：閥座上鉆孔均壓
該方案適用于那些一側(cè)壓力HP在事故情況下都大于另一側(cè)壓力LP的閘閥，具體措施是在壓力大的一側(cè)的閥座上鉆孔來防止超壓。而對于在不同工況下需要保持雙向密封性的閥門，鉆孔不能滿足所有工況要求。而且該方案會導(dǎo)致無法進行密封性試驗，所以通常并不推薦采用。
圖4 僅帶有手動隔離閥功能的閥組的鍋爐效應(yīng)改進方案簡圖
5、實例分析
下面以國內(nèi)某M310型翻版核電廠受鍋爐效應(yīng)影響的重要安全功能閘閥RIS063/064VP為例詳細加以說明。如圖5所示，RIS063/064VP是低壓安注熱段安全殼外側(cè)隔離閥，正常運行時保持關(guān)閉，在事故后安注冷、熱端同時注入時需開啟。如果RIS063/064VP不能正常開啟，將影響安注功能。雖然該安全殼隔離閘閥比貫穿件位置低，且閥門本身熱對流區(qū)域長度大于2倍的管道直徑，根據(jù)EDF判別鍋爐效應(yīng)的準則，在LOCA和MSLB事故后，安全殼的內(nèi)部熱量通過貫穿件的傳遞不足以引起閥門產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)。但由于安注管線的再循環(huán)水是從地坑吸來的120℃高溫流體，會對閘閥的內(nèi)部空間的液體造成加熱，同時低壓安注泵運行時產(chǎn)生的壓力波動也將加速水的流動，促進熱傳導(dǎo)。因此RIS063/064VP在事故后很可能會產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)。因此，該核電廠向國家核安全局申請對RIS063/064VP閥門實施改造。在此改造申請的核安全審評過程中，審評人員主要對以下幾個方面重點加以關(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(cè)隔離閥，正常運行時需保持關(guān)閉，并保證閥門雙向密封性，在事故后安注冷熱端同時注入時需開啟。如其不能正常開啟，將影響安全注入功能。
圖5 某核電廠安注系統(tǒng)流程簡圖
根據(jù)上面的分析，RIS063/064VP閘閥可能會產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)的結(jié)論是成立的。同時，申請者也通過概率安全評價(PSA)方法進行了定量分析。PSA結(jié)果表明，對受鍋爐效應(yīng)影響的閘閥開啟失效參數(shù)作放大100倍和1000倍的敏感性分析，當(dāng)RIS063/064VP的拒開參數(shù)由3.0E-4(未考慮鍋爐效應(yīng)影響時的基準頻率)升高至3.0E-2時，CDF將增加4%，而RIS063/064VP的拒開參數(shù)升高至為3.0E-1時，CDF將增大126%。因此從堆芯安全的角度來看，通過設(shè)備改造以避免RIS063/064VP出現(xiàn)鍋爐效應(yīng)，將有利于事故的緩解和處理，能夠顯著避免堆芯損壞風(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
通過分析，我們可以發(fā)現(xiàn)在不同工況下RIS063/064VP閥門兩側(cè)壓力均有可能出現(xiàn)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RIS063/064VP閥腔溫度升高，閥腔內(nèi)部壓力必將超過閥門的設(shè)計壓力，有可能破壞閥門的結(jié)構(gòu)和完整性，因此，修改電動頭力矩的改造方案也無法采用。申請者申請采用的增設(shè)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，申請者還承諾不改變閥門開啟時間、不降低新增設(shè)備管線的安全級別、新增設(shè)備管線在強度上滿足規(guī)范要求、試驗驗證RIS063/064VP及新增閥門的密封性要求、不涉及對最終安全分析報告、運行技術(shù)規(guī)范等執(zhí)照申請文件的影響等。
5.3、與法規(guī)、標(biāo)準的符合性
《法國900MWe壓水堆核電站系統(tǒng)設(shè)計和建造規(guī)則》RCC-P&2.1.3.3.3節(jié)中有如下規(guī)定：“應(yīng)按下述規(guī)則之一設(shè)置隔離閥：安全殼內(nèi)一個自動隔離閥，安全殼外一個自動隔離閥……簡單的止回閥不能用作安全殼外的自動隔離閥”。由于改造方案中手動閥常開，此改造方案實質(zhì)上是用雙向逆止閥旁路了RIS063/064VP閥門，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明此改造方案與法規(guī)、標(biāo)準的符合性，但考慮到RIS063/064VP閥門產(chǎn)生鍋爐效應(yīng)帶來的安全隱患及其巨大風(fēng)險，權(quán)衡利弊，對該閥門進行改造是勢在必行的。另外，審評人員了解到法國核安全當(dāng)局已批準了該改造方案，法國同類型機組都已完成了此項改造，且改造后運行情況良好�；诜▏鴮嵺`和以上綜合考慮，國家核安全局批準申請者實施此改造方案。
6、結(jié)束語
鑒于在有限的核電發(fā)展歷史中，閘閥鍋爐效應(yīng)現(xiàn)象時有發(fā)生，鍋爐效應(yīng)帶來的危害和風(fēng)險又是安全上難以接受的，核工業(yè)界應(yīng)繼續(xù)深入研究鍋爐效應(yīng)現(xiàn)象的機理和防范措施。已有核電廠應(yīng)排查電廠系統(tǒng)中所有可能受鍋爐效應(yīng)影響的閘閥，并對其中安全重要的閘閥進行改造，而新設(shè)計的核電廠則應(yīng)考慮通過合理布置、閥門選型等其他手段從根本上杜絕鍋爐效應(yīng)的產(chǎn)生，以確保核電安全。
