核电主蒸汽安全阀泄漏的分析研究

丁 涛，胡 靖

（中国核电工程有限公司华东分公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

核电厂主蒸汽安全阀（亦称蒸汽发生器安全阀，简称MSSV）安装在蒸汽发生器出口，用于蒸汽发生器二次侧和主蒸汽管道提供超压保护。作为二回路压力边界，主蒸汽安全阀的运行可靠性直接影响电厂的稳定运行。某核电厂的主蒸汽安全阀安装在蒸汽发生器二次侧出口的主蒸汽管道上，正常运行时阀门入口压力为6.8～7.6 MPa（绝压）（即绝对压力）、出口压力为大气压，一旦阀门密封不严、出现内漏情况，可能进一步损伤密封面，阀门泄漏率逐渐增大，而泄漏故障的处理需要停堆，经济损失极大。

1 主蒸汽安全阀介绍

该核电厂主蒸汽安全阀为德国Bopp&Reuther 公司的Si 9507 Type H 型碟簧式安全阀，其整定值ps使得在紧急工况和事故下蒸汽发生器和主蒸汽管线的最大压力不会超过其设计压力的110%。在考虑到主蒸汽管道的压降、阀门特性和整定值的误差之后，将整定值分别设为8.7 MPa（绝压）和8.5 MPa（绝压）。

每条主蒸汽管线上有7 台阀门，3 条主蒸汽管线共21 台阀门。每条管线的安全阀整定值稍有不同，交错分为两组：第一组安全阀，每条管线2 台阀门，整定值为8.5 MPa（绝压）；第二组安全阀，每条管线5 台阀门，整定值为8.7 MPa（绝压）。

该主蒸汽安全阀主要由阀体（包括进出口管嘴）、阀瓣、阀杆、中法兰下底板、滑动衬套、碟簧和调整弹簧等部分组成，阀门通过碟簧设置整定压力，弹簧力通过阀杆传递给阀瓣，给阀门密封面提供密封力，保证正常运行期间阀门不泄漏。

2 泄漏故障分析

通过统计相同阀门电厂数据，分析阀门的泄漏集中出现在7.4～7.7 MPa 的压力平台（基本在88%ps～92%ps），并且在后续解体过程中未发现泄漏阀门的密封面有明显缺陷。这种阀门进口压力低于阀门整定压力时，阀瓣与阀座密封面间的微小泄漏问题，是典型的安全阀前漏问题。根据设计要求，主蒸汽安全阀在96%ps 以前不允许出现前漏问题。

阀门的泄漏与很多因素有关，如被密封的流体性质、工作温度以及密封面的表面状况、结构形式、材料、内外压差、密封压力等。本文根据B&R 安全阀的结构特点，从密封面表面状况、阀瓣的结构形式两个方面，与Griss 安全阀进行比较、分析。

2.1 泄漏的基本理论

恒温气体泄漏率q1g公式为：

式中 d1——泄漏通道直径，mm

l——泄漏通道长度，mm

ηg——气体动力黏度，μPa·s

p1——上游压力，MPa

p2——下游压力，MPa

pav——为泄漏通道两侧的压力平均值，MPa

由式（1）可知，气体泄漏率与d1的四次方成正比，阀门的密封性受d1的影响非常大。d1为密封面贴合后波峰、波谷形成的通道直径，与密封面的表面状况、密封比压有重要关系，密封比压使密封副相接触的凸峰发生变形而被压平，使d1减小。

2.2 阀门密封面表面状况

2.2.1 密封面研磨要求的差别

某核电的1#～4#机组中，Griss 安全阀密封面在研磨无明显划痕后，使用9 μm 或6 μm 的砂纸研磨、抛光，确保密封面上没有任何可见痕迹，密封面为镜面。并使用干涉光检测（钠灯、平晶组合）平面状况，要求干涉条纹不得超过10 条，即平面度小于3 μm。在实际检修时，干涉条纹内控为5 条，即平面度为1.5 μm。在这个验收标准下，Griss 安全阀未发生泄漏问题。

经查询B&R 安全阀的EOMM 手册并与阀门厂家确认，此阀门的密封面验收标准为目视检查，阀瓣上不允许有划痕；阀座上不允许有较大的划痕及贯穿性划痕；密封面内圈不允许有点坑，研磨产生的环状痕迹、密封面外圈有点坑可以接受。

2.2.2 干涉光检测的结论

按照厂家的要求对阀门密封面进行研磨，研磨完成后的按照厂家验收要求进行目视检查，在满足厂家相关要求后，再次用干涉光平晶检测方法再次检查。密封面出现干涉条纹呈鱼鳞状条纹，密封面研磨效果较差、平面度较差，有进一步提高的空间。

2.3 阀门密封比压的情况

2.3.1 阀门密封面的密封比压

阀门密封面上实际作用的密封比压q1，为密封面上所承受的合力与有效的受力面积的比值：

式中 ps——阀门的整定压力，MPa

p——介质工作压力，MPa

D1——阀门密封面外径，mm

D2——阀门密封面内径，mm

Dm——阀门密封面中径（即D1和D2的均值），mm

2.3.2 密封面必须密封比压

为实现密封，在系统压力下阀门密封面的实际密封比压必须要大于密封面的必须密封比压qb。

式中 m——对于空气、蒸汽等气体介质以及高于100 ℃的液体，取值为1.4

C——与密封面材料有关的系数，钢和硬质合金的取值为3.5

K——在给定密封面材料条件下，考虑介质压力对比压值的影响系数，钢和硬质合金一般取值为1

b——密封面宽度（即D1和D2的均值），mm

经过现场研磨后，可以进行实际测量得到阀门密封面的相关数据。由于阀门整定压力为固定值，密封面内径、外径、密封面宽度、密封面中径为每台阀门的实测数据且固定不变，当系统压力P 发生变化时，qb和q1同时发生变化。机组正常运行时，热停状态零功率和满功率分别对应的二回路压力约7.4 MPa 和6.8 MPa。对比阀门密封面的q1和qb可以发现，机组正常运行二回路压力6.8 MPa 左右时，qb＜q1，阀门密封面能够完全密封无泄漏；在系统处于0 功率状态7.4 MPa 左右时，q1＜qb，阀门密封面可能无法形成完全密封，阀门可能出现前漏现象。

根据式（2），对于直接作用弹簧式安全阀，在压力整定值不变的情况下，系统压力越大实际的密封比压越小。而同样的密封面，如果系统介质压力越大，其所需要的必须密封比压也就越大。这就导致弹簧式安全阀在系统压力接近开启压力时肯定会出现内漏，即所谓为的“前漏”，这种现象是不可避免的。从实际密封比压和必须密封比压的计算结果来看，此压力平台下密封面上的密封比压已经不足，且已经影响到安全阀的可靠密封。

2.4 阀瓣的结构形式

2.4.1 阀瓣结构的差别

（1）阀杆端部采用球形头，阀杆与阀瓣为线接触，阀瓣与阀杆之间允许有一个小角度的移动，可以保证阀杆能较好地对准阀瓣中心而不受弹簧偏斜的影响，并确保密封面各方向密封力均衡，有效降低蒸汽管道振动对阀门密封的不利影响。

（2）B&R 安全阀采用平面阀瓣形式，阀杆将弹簧力传递给阀瓣的受力点在密封面以上。而Griss 安全阀采用挠性阀瓣形式，阀杆将弹簧力传递给阀瓣的受力点在密封面以下。

2.4.2 阀瓣结构对阀门密封的影响

对于挠性阀瓣，阀瓣同阀座的接触面宽度随着阀前压力的减少而增大。在没有介质压力的情况下，阀瓣接触面积增大，能够避免过大的接触应力；但在介质压力升高的过程中，密封压力逐渐减小，阀瓣密封面会由其外径对应的面积向其内径对应的面积变化。在这个过程中，密封面的接触宽度减小，在一定程度上增加了安全阀的密封比压，从而使阀门前漏点推迟。

随着压力的升高，挠性阀瓣的最大接触压力由密封面的外侧转移到密封面的内侧，且内侧的最大密封面压力随着介质压力的增加而升高。在压力较高的平台，挠性阀瓣的最大密封面压力明显大于平面阀瓣，其中压力为7.5 MPa 时，平面阀瓣上的最大接触压力为7.8 MPa，而挠性阀瓣上的最大接触压力为27.1 MPa。因此，当介质压力接近ps 大于90%ps 时，挠性阀瓣比平面阀瓣有着更高的接触压力，密封性优于平面阀瓣。

3 B&R 安全阀的改进情况

通过上述分析，可知B&R 安全阀在密封面的研磨、阀瓣的结构形式方面存在一些不足，并给阀门的正常运行带来一定不良影响。针对这些不足，提出以下改进建议。

3.1 提高安全阀的研磨要求

仅用目视检查方式检查阀门密封面表面质量，受个人经验、能力影响较大，且目视检查结果误差较大，难以保证密封面表面质量满足要求，所以采用合适的检查手段非常有必要。

目前平行光干涉法是检查密封表面质量的非常精准的手段。该核电5 号机组二回路水压后，对主蒸汽安全阀门密封面进行了分阶段研磨，并用钠光灯进行密封面检测。

（1）第一阶段：按照厂家人员经验及阀门密封面研磨要求，使用9 μm 的砂纸完成阀瓣研磨、抛光，目视检查验收合格后，使用钠灯、平晶进行检查，普遍出现干涉条纹呈数量密集的鱼鳞状。

（2）第二阶段：重新使用9 μm 或5 μm 砂纸进行反复抛光后，能达到4～6 条干涉条纹。

（3）第三阶段：使用3 μm 砂纸或研磨膏精研抛光后，可以达到3 条以内干涉条纹要求。

该核电厂5 号机组热态功能试期间（二回路约7.4 MPa），主蒸汽安全阀运行情况良好，未发现前漏情况；在主蒸汽阀全阀校验试验之后（校验时系统压力6.8 MPa），未发现前漏情况；系统压力再次上升至7.4 MPa 时，个别阀门在回座后有少量泄漏（可见漂汽现象），运行一段时间后消失。

3.2 改变阀瓣结构形式

从实际运行情况来看，B&R 安全阀采用的平面密封形式在高压力平台大概率发生前漏现象，密封性能不及Griss 安全阀，可以考虑调整为挠性阀瓣形式。建议可以将阀瓣密封面中间位置切削去一部分，加工成类似Griss 安全阀的挠性阀瓣，同时将阀杆与阀瓣的接触位置调整至位于密封面以下。

4 结论

本文对B&R 安全阀的结构、密封面表面状况、阀瓣的结构形式角度进行分析，指出导致泄漏的可能因素，并给出后续的改进建议，未来可以从提高密封面研磨要求、阀瓣结构改变等方面进行改进，以减少阀门前漏的情况，提高阀门运行的可靠性。