试论核电厂闸阀的锅炉效应现象
1、前言
1991年3月法国BUGEY核电厂5号机组进行安全壳隔离阀EAS014VB密封性试验时发现其无法开启，该事件促使法国电力公司(EDF)对所有闸阀不能开启的共模风险和机理进行了大量分析和研究。研究表明，在法国核电厂的初始设计中并没有考虑锅炉效应对闸阀的开启性能和密封性的影响。2003年国内引进法国的某核电厂也曾出现因锅炉效应导致闸阀的阀板严重变形进而丧失其密封性的事件。另一个核电先进国家美国则早在1989年就开始了针对闸阀锅炉效应现象的研究工作，美国核管会(USNRC)在通用信函(GL)95-07“Pressure Locking and Thermal Binding of Safety-Related Power-Operated Gate Valves”报告中，针对闸阀的锅炉效应现象进行了深入的分析，并提出潜在的解决方法。
随着近年来各国相关研究工作的不断深入，锅炉效应现象的危害和影响得到了更为广泛的关注。本文试图对锅炉效应现象产生机理、安全影响和解决方案等方面进行一些初步的探讨。
2、现象机理
锅炉效应本质上是一种温度效应，一些热源会加热处于关闭状态的闸阀内部空间的水，并使该空间有一个较大的压力上升。这一压力升高将使得闸阀无法开启或闸板出现变形而不能保证其密封性。如图1所示：通常闸阀都由两个阀座和一个闸板组成，每个阀座都有一个密封面，而闸板上有两个密封面。当在没有压差的情况下将闸阀关闭时，闸板上的两个密封面都与两个阀座的密封面紧密接触。在设计压差情况下，该压差使闸板的一个密封面紧紧靠在低压侧的阀座密封面上，而此时闸板的另一个密封面将与高压侧的阀座密封面处于分离状态。基于这种情况，计算闸阀电动头在设计工况下的开启力矩时，仅需考虑闸板作用在一个阀座上的摩擦力。如果闸阀产生锅炉效应，将使阀板同时与两个阀座紧密接触，此时需考虑闸板同时作用在两个阀座上的摩擦力，闸阀实际需求的开启力矩若大于其电动头的设计值，则可能导致闸阀无法开启或闸板变形进而丧失其密封性。
图1 锅炉效应原理示意图
3、安全影响
当这些闸阀因为核安全的要求需要开启或者密封性必须保证时，锅炉效应产生的后果将是非常严重的。导致锅炉效应的热源可以分为以下两种情况：其一，是外部环境的温度异常升高而传递给闸阀内部空间的热量：失水事故(LOCA)和主蒸汽管道破口事故(MSLB)后，安全壳内环境高温将会加热那些位于安全壳内且处于关闭位置的闸阀的内部空间的液体，从而出现锅炉效应;对于那些位于安全壳外侧的安全壳隔离闸阀，LOCA和MSLB后安全壳内的热量通过贯穿件及内部流体传递或是高温的安注再循环水传递来的热量都可能加热这些闸阀的内部空间的液体，使其产生锅炉效应。其二，对于那些靠近运行温度高的系统(如反应堆冷却剂系统和余热排出系统等)且正常处于关闭位置的隔离闸阀，也会因为这些热系统不断地加热这些闸阀的内部空间的液体而产生锅炉效应。
对于那些在LOCA和MSLB事故后需要其开启的闸阀，锅炉效应可能阻止它们的正常开启，这在安全上是绝对不能接受的。对于那些需要保持密封性的闸阀(比如安全壳隔离阀)，锅炉效应可能影响它们的密封性，也将影响其安全功能。所以，必须对那些受锅炉效应影响的闸阀进行设计改进，以避免这些效应的出现，从而使得这些闸阀能够顺利执行它们的安全功能。
4、解决方案
针对闸阀的锅炉效应现象，可能的解决思路有如下三种：
思路一：更换电动头，加大电动头力矩
法国EDF和美国NRC都曾经考虑过更换电动头的方案，该方案的思路是采用计算分析来判定电动头是否具有足够的力矩来克服锅炉效应。但是由于阀腔内部几何参数、材料膨胀系数和摩擦系数难以确定，并且不同阀门所处环境因素不同(温度、压力等参数也难以确定)，所以阀门电动头的力矩难以确定，而且存在阀腔内的压力存在超过阀门设计压力的风险。因此更换电动头的方案难度较大。
思路二：修改运行规程
美国NRC也曾考虑过利用修改运行规程来消除锅炉效应，但是经分析后认为修改运行规程难以从根本上解决问题。
思路三：设备改造
美国NRC在GL95-07中建议了有关设备改造方面的方案。包括在闸板高压侧钻孔、安装一条旁通管线连通阀腔和高压侧、或安装卸压装置等，其基本原理就是平衡高压侧与阀腔间压力。法国EDF也提出了与之类似原理的改造方案，根据闸阀两侧压力环境不同，具体分为以下4种方案：
方案1：带有双向逆止阀的三通阀组(手动隔离阀+双向逆止阀)
该方案适用于闸阀两侧均有可能出现高压的情况。具体方法是用不锈钢管线将两闸板上部空间和上下游都连接，这些管线上安装有一个具有手动隔离功能的双向逆止阀(如图2所示)。当闸阀上游侧压力大于下游侧压力时，三通阀组的平衡块向下游低压侧移动，使得闸阀的上游与阀腔连通，下游与阀腔隔断，避免了阀腔超过上游压力而产生的锅炉效应，既确保了阀门的开启功能，也保障了阀门上游侧至下游侧的密封性。反之亦然，即在闸阀下游侧压力大于上游侧压力时，三通阀组的平衡块向上游低压侧移动，使得闸阀的下游与阀腔连通，上游与阀腔隔断，避免了阀腔超过下游压力而产生的锅炉效应，既确保了阀门的开启功能，也保障了阀门下游侧至上游侧的密封性。正常运行时，三通阀组的两个手动隔离阀常开，只有在进行密封性试验时关闭。
图2 三通阀组的锅炉效应改进方案简图
方案2：带有单向逆止阀的二通阀组(具有手动隔离子阀)
该方案适用于那些一侧压力HP在任何工况下都大于另一侧压力LP的闸阀，具体方法是用一管线将两闸板上部空间和压力大的一侧旁通，该旁通管线上安装有一个具有手动隔离功能的逆止阀(如图3所示)。逆止阀带有压紧弹簧，当闸板内部空间的压力与高压侧HP的压差大于弹簧整定值时才开启。手动隔离阀一般情况下都保持开启，只是在对闸阀进行密封性试验时保持关闭。
图3 二通阀组的锅炉效应改进方案简图
方案3：仅带有手动隔离阀功能的阀组
该方案同方案2一样，即适用于那些一侧压力HP在任何工况下都大于另一侧压力LP的闸阀，具体方法是用一管线将两闸板上部空间和压力大的一侧旁通，该旁通管线上仅安装有一个手动隔离阀，但没有单向逆止阀的功能(如图4所示)。手动隔离阀在正常运行情况下保持打开，进行密封性试验时需关闭该阀。
方案4：阀座上钻孔均压
该方案适用于那些一侧压力HP在事故情况下都大于另一侧压力LP的闸阀，具体措施是在压力大的一侧的阀座上钻孔来防止超压。而对于在不同工况下需要保持双向密封性的阀门，钻孔不能满足所有工况要求。而且该方案会导致无法进行密封性试验，所以通常并不推荐采用。
图4 仅带有手动隔离阀功能的阀组的锅炉效应改进方案简图
5、实例分析
下面以国内某M310型翻版核电厂受锅炉效应影响的重要安全功能闸阀RIS063/064VP为例详细加以说明。如图5所示，RIS063/064VP是低压安注热段安全壳外侧隔离阀，正常运行时保持关闭，在事故后安注冷、热端同时注入时需开启。如果RIS063/064VP不能正常开启，将影响安注功能。虽然该安全壳隔离闸阀比贯穿件位置低，且阀门本身热对流区域长度大于2倍的管道直径，根据EDF判别锅炉效应的准则，在LOCA和MSLB事故后，安全壳的内部热量通过贯穿件的传递不足以引起阀门产生锅炉效应。但由于安注管线的再循环水是从地坑吸来的120℃高温流体，会对闸阀的内部空间的液体造成加热，同时低压安注泵运行时产生的压力波动也将加速水的流动，促进热传导。因此RIS063/064VP在事故后很可能会产生锅炉效应。因此，该核电厂向国家核安全局申请对RIS063/064VP阀门实施改造。在此改造申请的核安全审评过程中，审评人员主要对以下几个方面重点加以关注。
5.1、改造的必要性
RIS063/064VP是低压安注热端的安全壳外侧隔离阀，正常运行时需保持关闭，并保证阀门双向密封性，在事故后安注冷热端同时注入时需开启。如其不能正常开启，将影响安全注入功能。
图5 某核电厂安注系统流程简图
根据上面的分析，RIS063/064VP闸阀可能会产生锅炉效应的结论是成立的。同时，申请者也通过概率安全评价(PSA)方法进行了定量分析。PSA结果表明，对受锅炉效应影响的闸阀开启失效参数作放大100倍和1000倍的敏感性分析，当RIS063/064VP的拒开参数由3.0E-4(未考虑锅炉效应影响时的基准频率)升高至3.0E-2时，CDF将增加4%，而RIS063/064VP的拒开参数升高至为3.0E-1时，CDF将增大126%。因此从堆芯安全的角度来看，通过设备改造以避免RIS063/064VP出现锅炉效应，将有利于事故的缓解和处理，能够显著避免堆芯损坏风险的增大。因此，改造的必要性是充分的。
5.2、改造方案的合理性
通过分析，我们可以发现在不同工况下RIS063/064VP阀门两侧压力均有可能出现高压或低压，因此前面所提到的EDF改造方案中的2、3、4项均不适用。另外，经申请者计算表明，随着RIS063/064VP阀腔温度升高，阀腔内部压力必将超过阀门的设计压力，有可能破坏阀门的结构和完整性，因此，修改电动头力矩的改造方案也无法采用。申请者申请采用的增设带有双向逆止阀的三通阀组的改造方案俨然是目前唯一可行的改造方案。
同时，申请者还承诺不改变阀门开启时间、不降低新增设备管线的安全级别、新增设备管线在强度上满足规范要求、试验验证RIS063/064VP及新增阀门的密封性要求、不涉及对最终安全分析报告、运行技术规范等执照申请文件的影响等。
5.3、与法规、标准的符合性
《法国900MWe压水堆核电站系统设计和建造规则》RCC-P&2.1.3.3.3节中有如下规定：“应按下述规则之一设置隔离阀：安全壳内一个自动隔离阀，安全壳外一个自动隔离阀……简单的止回阀不能用作安全壳外的自动隔离阀”。由于改造方案中手动阀常开，此改造方案实质上是用双向逆止阀旁路了RIS063/064VP阀门，这显然与RCC-P中的安全壳隔离要求是有出入的。
综上，虽然申请者目前尚难以充分说明此改造方案与法规、标准的符合性，但考虑到RIS063/064VP阀门产生锅炉效应带来的安全隐患及其巨大风险，权衡利弊，对该阀门进行改造是势在必行的。另外，审评人员了解到法国核安全当局已批准了该改造方案，法国同类型机组都已完成了此项改造，且改造后运行情况良好。基于法国实践和以上综合考虑，国家核安全局批准申请者实施此改造方案。
6、结束语
鉴于在有限的核电发展历史中，闸阀锅炉效应现象时有发生，锅炉效应带来的危害和风险又是安全上难以接受的，核工业界应继续深入研究锅炉效应现象的机理和防范措施。已有核电厂应排查电厂系统中所有可能受锅炉效应影响的闸阀，并对其中安全重要的闸阀进行改造，而新设计的核电厂则应考虑通过合理布置、阀门选型等其他手段从根本上杜绝锅炉效应的产生，以确保核电安全。
