郭钧霆
摘 要
安注箱安全阀在执行安注箱超压保护功能的前提下必须具备良好的密封性，以保证安注箱在反应堆冷却剂丧失事故工况下把全部含硼水注入一回路使其快速冷却的安全功能。当前安注箱安全阀在多个核电厂发生的内漏缺陷，导致安注箱氮气持续泄漏引起安注箱压力持续降低，并造成安全壳压力缓慢升高，严重影响核电机组的核安全。本文以历次发生的安注箱安全阀泄漏情况为例，结合受力分析对其故障机理进行分析，得出造成安注箱安全阀泄漏的故障因素，最后根据实际处理过程，得出导致安注箱安全阀泄漏的关键因素，并通过改造及调整预防性维修优化其设备可靠性。
关键词
安注箱安全阀;泄漏;影响因素;优化
中图分类号： TM623 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.036
0 引言
为更深入了解安全阀的特性以及密封性降质的分析思路，本文以此进行故障原因分析，通过安全阀泄漏排量影响计算、阀瓣密封结构的研究，同时对其开启运动特性分析，并结合现场实际处理过程探讨各参数对阀门密封性能的影响，找到其泄漏的根本原因，并通过设计和预防性维修优化到达提升安注箱安全阀设备可靠性的目的。
1 概述
安全阀的功能是通过下列动作过程来实现的：当系统达到最高允许压力时，安全阀能准确地开启，迅速达到额定开启状态，并排放额定数量的工作介质;在开启状态下安全阀应稳定地排放;当系统压力降至正常值时，安全阀应及时关闭，并在关闭状态下，保持必需的密封性。
2 泄漏故障机理分析
以阀门密封面处为对象进行受力分析，向下作用于阀瓣密封面的弹簧预紧力F弹簧力，一部分用来抵抗介质对阀瓣向上的作用力F介质，一部分用来克服阀杆、弹簧等部件的自重F重力和阀杆与其配合部件的阻力F阻力，另一部分产生阀门密封件之间的密封压紧力F密封力。阀门的关闭状态下的受力分析如图1。
所以根据牛顿第二定律，
F弹簧力+F重力=F阻力+F介质+F密封力
其中，F弹簧力—弹簧预紧力;F重力—弹簧、弹簧等自重;F阻力—阀杆与其配合部件的阻力;F介质—介质对阀瓣向上的作用力;F密封力—密封压紧力。
造成阀门泄漏的因素主要分为两方面，一个是密封力影响，一个是密封性能影响。
1）密封力影响
推导出影响密封力的公式：F密封力=Ps×S平均-P0×S平均-F其他阻，其中S平均为已知常量;Ps整定压力为已知常量;F其他阻为未知正数常量，P0对阀杆施加向上的阻力;为运行期间系统压力。
2）密封性能影响
密封性能影响因素主要分为：密封面卡有杂质、密封面有损伤、密封面材质问题。
3 泄漏影响因素处理分析
根据历次现场在线处理及离线解体处理进行，对上章的泄漏影响因素进行逐一验证，最终得出造成中压安注箱泄漏的主要原因。
3.1 密封力影响处理
根据上章密封力公式：F密封力=Ps×S平均-P0×S平均-F其他阻，其中造成密封力的非确定量有Ps、P0、F其他阻三个，其中Ps为正相关，P0和F其他阻为负相关。
1）Ps影响分析
Ps为整定压力，根据法规规定起跳压力的偏差为4.83±3%×4.83Mpa，根据公式此3%偏差对密封力大小变化影响有限，因此Ps整定压力不是造成密封力低引起泄漏的主要影响因素。
2）P0影响分析
P0為机组运行期间中压安注箱的氮气压力，根据M310核电机组运行技术规范，RP模式下中压安注箱压力要求在4.235-4.37Mpa之间，在整定压力为标准4.83Mpa下，计算其密封力F密封力：
F密封力=Ps×S平均-P0×S平均-F其他阻=（Ps-P0）×S平均-F其他阻，其中S平均=π/4·Dmp2，计算得F密封力=（54.2～70N）-F其他阻，在不考虑F其他阻的前提下，其密封力均满足使用要求。因此P0系统压力在满足技术规范的前提下不是造成密封力低引起泄漏的主要影响因素。
3）F其他阻影响分析
F其他阻为由于装配不合理等原因引起对阀杆向上的力，根据阀门结构分析造成对阀杆向上力的可能原因有：阀杆与其配合部件装配卡涩和强制起跳装置设置不正确。
在安注箱安全阀解体时对以上两点进行重点检查。经拆卸保护罩检查其强制起跳机构（凸轮及手柄等附件），发现其与其他普通安全阀存在差异，手柄放至水平位置凸轮收起，紧贴保护罩，手柄竖直时凸轮竖直向上。拆卸手柄后，检查手柄与转动轴的连接形式，其销钉凹槽的平面方向会影响手柄垂直时凸轮方向，经调整后手柄与凸轮对应方向正常。再次对安全阀打压对出口泄漏情况进行测量，泄漏现象消失，安全阀密封良好。
若要达到F密封力≥0，根据上节计算，仅需凸轮产生对阀杆向上的力F其他阻≥54.2～70N，经测量手柄末端和凸轮末端与转轴中心点距离比为16.5：1，根据力矩比计算，仅需对手柄产生3.2～4.2N的力。在进行回装阀门手柄设置时以人的感觉容易忽略此微小的力，造成手柄向下为正常状态的错误判断。
因此F其他阻引起对阀杆向上的力是造成密封力低引起泄漏的影响因素，其原因为阀门提升手柄竖直摆放时，凸轮与提升螺母干涉，产生一定向上的力，导致密封力偏低从而产生安注箱安全阀泄漏。
3.2 密封性能影响处理
安注箱安全阀阀座密封面的材质为Z2CND1712不锈钢，阀瓣材质为为EPDM橡胶，由EPDM于Z2CND1712不锈钢在密封力的施加下形成平面密封结构。
在安注箱安全阀解体时重点对软密封阀瓣、硬密封阀座密封面处进行检查，未发现面有杂质或损伤情况，但发现软密封面出现一定程度老化情况。在更换新阀瓣后密封性试验合格，但运行一段时间后再次出现泄漏情况。
EPDM（三元乙丙橡胶）和FKM（氟橡胶）这两类弹性体材料常用于辐照环境下的密封材料。FKM由于其优异的耐热性和氧化稳定性，通常应用于高温环境中，而EPDM由于其较低的玻璃化转变温度（Tg）通常应用于低温密封环境中。根据同行调研其变更的FKM阀芯密封性能良好，类似的安全阀未发生内漏的问题。
因此密封性能差是引起泄漏的主要影响因素，其原因为EPDM阀瓣在高压、辐照、长期运行情况下易出现老化情况，导致密封性能变差造成安注箱安全阀泄漏。
4 结论
综述，本文通过对典型的安注箱安全阀泄漏的故障分析，介绍了安注箱安全阀的工作原理，讨论了造成安注箱安全阀泄漏的影响因素，并通过实际处理与试验过程进行了对比分析。最后得出如下结论：
1）安注箱安全阀其设计的EPDM材质软密封阀瓣老化是造成安注箱安全阀泄漏的主要因素。建议将阀瓣密封材质由EPDM改为FKM，保持原安装尺寸不变，增强阀瓣密封抗老化性能，提高其密封性。
2）强制起跳装置设置不当是造成安注箱安全阀泄漏的次要因素。建议对手柄及凸轮相对位置进行检查，校正销钉凹槽的平面方向，使手柄垂直时凸轮水平从而不对提升螺母干涉。
在对造成安注箱安全阀泄漏的影响因素进行解决处理后，通过合理设置预防性维修项目到达提升安注箱安全阀设备可靠性的目的。
1）增加全面解体檢查及更换阀瓣密封件的预防性维修项目
由于软密封材料使用寿命的局限性，建议将每个燃料周期执行的压力整定及密封性试验项目改为全面解体检查及更换阀瓣密封件的预防性维修项目，并在解体检查密封件更换后执行压力整定及密封性试验。
2）将密封性试验试验时间延长
安注箱安全阀密封性试验保压试验较短，不能达到验证其长燃料周期零泄漏的密封要求，建议将密封性保压试验设置为单次，时间设置为24h，从而更好地验证其密封性能。
参考文献
[1]安全阀安全技术监察规程，TSG ZF001-2006.
[2]FQY45500003X9A144DD.LJSSJB0025安全阀装配图.
[3]安全阀一般要求，GB/T23352-2005.
[4]FQY45500061X9A104GN.EOMM.
