核电厂闸阀锅炉效应的危害与防治

张佳辉

( 国家核电技术公司，北京 100029 )

摘要：论述了核电站用阀门锅炉效应的危害及其产生的机理。结合阀门的功能结构、核电厂的运行以及事故工况、概率安全分析和利益代价比分析等因素，给出待改进阀门的判断方法。针对阀门的不同情况，提出了相应的改进方案。以大亚湾核电厂和岭澳核电厂为实例，介绍了防治阀门锅炉效应的良好实践。

关键词：核电站用阀 闸阀 锅炉效应

1 概述

锅炉效应是一种由于原始设计缺陷而导致的共模故障，它可以引起核电厂的某些闸阀拒开或者密封性受到破坏，对于一些与核安全相关的安全壳隔离阀，由于阀门故障而引起第三道屏障破坏或安全注入系统不可用，导致堆芯损伤的频率增加。因此，必须对这一现象进行研究，针对那些受到锅炉效应影响的阀门进行分析确认，并制定相应的改进方案予以防治。

1991年3月，法国BUGEY核电站5号机组在进行安全壳隔离阀的密封性试验时，发现安全壳喷淋系统的某个电动闸阀因故障无法开启。法国电力公司（EDF）经过相关调查分析发现，故障的根本原因为阀门的原始设计缺陷引起的，这促使EDF对其所有900/1300MW机组的核岛部分近200个闸阀进行了分析和研究。研究主要包括闸阀功能，正常运行和事故状态下运行的工况分析等，用于确定闸阀与贯穿件相对位置的等轴图，模型试验、潜在的后果和风险分析等。分析确定，某些处于关闭状态的闸阀会因为受到锅炉效应的影响而导致其无法开启或密封性失效。在岭澳核电厂2号机第3次换料大修时，维修人员也在现场发现由于锅炉效应导致阀瓣严重变形的情况。

2 锅炉效应机理

锅炉效应本质上是一种温度压力效应（图1）。某些热源会加热处于关闭状态的闸阀内部空间，使阀腔压力异常升高。当阀腔压力超过闸阀高压侧压力时，闸板的上下游密封面同时紧靠在两个阀座上，开启闸阀就需要同时克服闸板与两个阀座间的摩擦力。但是，闸阀驱动装置的开启力矩设计只考虑低压侧闸板与阀座间的单侧摩擦力，因此闸阀驱动装置的开启力矩小于实际所需力矩，此时闸阀无法正常开启。当阀腔压力继续升高到超过闸阀的设计压力时，将导致闸板和阀座甚至阀体产生变形而无法保证阀门的密封性。

图1 锅炉效应原理

产生锅炉效应的加热源可分为直接热源和潜在热源。

（1）直接热源

对于靠近运行温度高的系统（如RCP和RRA系统）且处于常关位置的隔离闸阀，热传递使得闸阀内部空间的液体受到加热而产生锅炉效应，影响了阀门的密封性和开启功能。

（2）潜在热源

对于某些需要执行安全功能的闸阀，如在发生一回路冷却剂丧失事故（LOCA）或主蒸汽管道破裂事故（MSLB）时，安全壳内局部环境温度异常升高，此时某些位于该环境的闸阀内部空间受到加热而出现锅炉效应，导致阀门不能开启而无法执行安全功能。

3 需改进闸阀的确定

由于核电厂闸阀的原始设计并没有考虑锅炉效应的影响，因此需要采取措施进行改进。然而，并不是所有的闸阀都需要进行防止锅炉效应的改进，应综合阀门的结构、功能、正常运行和事故工况，阀门与贯穿件的相对位置，概率安全分析，经济效益分析等因素，最终确定需要改进的阀门（图2）。

3.1 阀门结构

首先，根据阀门结构确定需改进的阀门类型。

（1）带楔块平行双闸板闸阀（W型）

带楔块平行双闸板闸阀的公称尺寸≤DN150时，锅炉效应不影响其密封性。对于压力为150lb，≤DN350的所有不锈钢闸阀，锅炉效应也不影响其密封性。其他磅级和尺寸的闸阀，必须考虑和分析锅炉效应导致其内漏的风险。

带楔块平行双闸板闸阀的闸板相对细长（厚度与直径比小），所以大直径的闸板（＞150mm）受压力变形相对比小直径闸板变形量大。对于直径压的降低从而缓解了锅炉效应的后果。但是150lb系列不锈钢阀门的阀体与阀盖连接法兰柔性好，可保护闸板（包括大直径闸板）。

图2 需改进阀门的判断流程

（2）弹性闸板闸阀（C型）

弹性闸板闸阀的公称尺寸＞DN150时，锅炉效应不影响其密封性。对于DN150的闸阀，必须逐个分析锅炉效应对其密封性的影响。对于＜DN150且压力等级为1500lb的闸阀，锅炉效应不影响其密封性。其他磅级和尺寸的闸阀在锅炉效应情况下存在较大的阀座屈服变形。

（3）带弹簧平行双闸板闸阀（V型）

带弹簧平行双闸板闸阀的公称尺寸为DN150～DN600（包括600），压力为PN16时，锅炉效应不影响其密封性，其他情况下必须考虑和分析锅炉效应的风险。