弹簧式安全阀和先导式安全阀在核电厂中的飞射物源对比分析

韩 冰 王保平 严思伟 余小权 廖先伟

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610041）

0 引言

核电厂内部飞射物，是指核电厂内任何地点的承压部件、旋转机械设备以及爆炸等持续能量所加速的物块。

高能流体系统中的阀门应作为潜在的飞射物加以评价。阀体强度通常远强于连接管道，大多数情况下由阀体本身成为飞射物是相当不可信的。阀盖与阀体一般为螺栓连接，由于螺栓材料参考RCC-M所规定的极限应力来选择，法兰的设计也参考RCCM的要求，所以阻止了阀盖成为飞射物，即使螺栓可能会发生故障，但不可能所有的法兰螺栓同时发生故障，因此，可认为用螺栓连接的阀盖不会成为可信的飞射物。如果在设计时除螺纹外还至少考虑了一种方法来防止阀杆飞射，例如，上密封或电动/气动执行装置，那么阀杆就不作为潜在的飞射物来考虑。另外，螺母、螺栓、螺母和螺栓组件以及螺母和螺杆都只有很小的贮能，因此，不被认为是可信的飞射物。

有一种例外的情况是稳压器安全阀，由于稳压器安全阀位于稳压器伸出平台区域，假定稳压器安全阀连接阀盖与阀体的螺栓会损坏，阀盖飞射物弹出会影响安全壳内衬的完整性。因此，稳压器安全阀应作为潜在的飞射物源，考虑防护设计。

不同电厂所采用的稳压器安全阀种类不同，目前广泛应用的有弹簧式安全阀和先导式安全阀两类，本文将对这两类安全阀作为飞射物源的区别进行对比分析。

1 阀门飞射物特征参数计算方法

1.1 流体力学限值

根据伯努利方程，流体的位置势能、压强势能、动能为一常量C。

根据机械能守恒，假设破口瞬间，流体初始状态静止且位置不变，其压强势能全部转化为动能，此时为其流体速度的最大值，也是被该流体推动的阀杆、阀盖、温度计速度的极限值，定义为vB。

1.2 经典力学限值

已知飞射物源的质量为m，破口表面积S，重力加速度g，管道绝对压力P，环境压力Pa，飞射物源与其飞射方向上的屏障距离为L。假设破口瞬间的流体压力持续不变地作用在飞射物源上，直至其撞击到屏障，根据牛顿经典力学，此时的极限速度值定义为vN。

实际计算时，须比较vB和vN的大小，并取小值作为撞击速度，此时仍具有很高的保守性，并能减少对速度的高估程度。

出于保守性，流体力学限值计算时，P可以取设计压力，ρ可以取设计压力下最高水温对应的最小密度。对于水中的硼酸浓度，浓度越高则密度增大，在不考虑少量硼酸对水物理性质的影响下，可保守性地忽略硼酸对密度的影响。经典力学计算时，飞射方向可以取向下，与重力同向。

2 稳压器安全阀飞射物计算

2.1 弹簧式安全阀

弹簧式安全阀结构图如图1。

图1 弹簧式安全阀结构图

图2 弹簧式安全阀结构图

根据电厂设计要求：

P=设计压力17.23 MPa（a），

Pa=大气压力0.1 MPa（a），

设计温度=360℃，

计算得：

ρ=560.15 kg/m3，

弹簧式安全阀的飞射物按照除阀体和阀座以外的部分计算：

飞射物质量m=180 kg，

S=0.02 m2，

撞击物为安全阀上方的钢平台，阀门距离撞击物的距离L=3.6 m，

计算得：

a=2 150.29 m/s2，

综上：

vB=248.03 m/s，

vN=124.42 m/s，

v=124.42 m/s。

2.2 先导式安全阀

根据电厂设计要求：

P=设计压力17.23 MPa（a），

Pa=大气压力0.1 MPa（a），

设计温度=360℃，

计算得：

ρ=560.15 kg/m3，

先导式安全阀的飞射物按照阀盖部分计算：

飞射物质量m=66.23 kg，

S=0.009 3 m2，

撞击物为安全阀上方的钢平台，阀门距离撞击物的距离L=3.79 m，

计算得：

a=2 395.59 m/s2，

综上：

vB=248.03 m/s，

vN=134.72 m/s，

v=134.72 m/s。

3 稳压器安全阀飞射物防护

由上文计算可知，弹簧式安全阀和先导式安全阀飞射物的撞击速度相差不大，但由于两类阀门的结构特性存在较大差异，弹簧式安全阀飞射物的质量比先导式安全阀飞射物的质量大得多，导致撞击冲量也大很多，因此，在对稳压器安全阀进行飞射物防护设计时，应特别注意安全阀的类别，对于弹簧式安全阀，应采取措施加强防护。

4 结论

由于稳压器安全阀在核电厂中的特殊位置，应将其作为潜在的飞射物源考虑防护设计。目前，广泛应用的弹簧式安全阀和先导式安全阀因其结构不同应分别考虑其作为飞射物源的危害。根据本文对比分析，在阀门飞射物速度相近的情况下，弹簧式安全阀飞射物的质量较先导式安全阀飞射物大得多，导致撞击冲量也大得多，因此，在对稳压器安全阀进行飞射物防护设计时，相较于先导式安全阀，应对于弹簧式安全阀采取措施加强防护。