核电稳压器先导式安全阀排量的精确鉴定

出品 |《阀门》期刊

作者 |  王秋林

摘要：压水堆核电站稳压器先导式安全阀是一回路重要的超压保护装置，为了既能满足系统的超压保护功能又要防止安全阀开启后排放过快，将安全阀的排量限制在一个较小的范围内，因此稳压器先导式安全阀是针对具体堆型参数的个性化定制产品，其排量鉴定尤为重要。本文以某压水堆核电站稳压器先导式安全阀为例，基于其结构形式及工作原理，制定了排量鉴定试验流程，确定了排量计算模型，并选择最合适的排量鉴定试验方法，最终完成了精确的安全阀排量鉴定。本文为核电站系统中有排量限制要求的安全阀的精确排量鉴定提供了思路和方法。

关键词：先导式安全阀；排量限制；排量鉴定；计算模型

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概述

安全阀是核电站中重要的超压保护装置，核电站使用大量的安全阀作为超压保护装置来保护系统和设备的安全。安全阀的超压保护是依靠系统超压时安全阀自动打开排放一定量的介质使系统压力下降到期望压力，而安全阀的排放能力决定了其是否起到超压保护作用。安全阀的排放能力由试验测得的排量衡量，因此安全阀的排量鉴定是核电安全阀鉴定试验中最重要的项目之一。

国内外规范和标准对安全阀排量试验、排量计算和排量鉴定方法有相关规定，但这些均为基本性的、原则性的规定。谈效龙等与袁晟毅等对先导式稳压器安全阀鉴定项目和鉴定方法进行了分析和讨论。韩冰等针对华龙一号稳压器安全阀40年的设计寿命与核电机组60年的设计寿命不匹配的问题，提出了华龙一号后续机型稳压器安全阀的改进方案，采取延长阀门设计寿命和增加阀门排量的措施，提高稳压器安全阀与华龙一号后续机型的匹配度。龚炯波等提出了排量系数通过试验测量的重要性。孙琦等与王宇翔等探讨了安全阀排量系数的影响因素。郭崇志等研究了一种利用阀芯传感器的测试数据来评估排量的计算方法。王德海针对大口径、高压力安全阀超过试验台架能力的问题，提出通过缩比模型及采用等效弹簧的方法评估安全阀系列产品。颜勤伟等基于背压修正的安全阀排量精确计算方法，编制了MATLAB程序用于计算亚临界排放下安全阀背压和排量值，利用FLUENT稳态数值模拟验证了MATLAB程序计算结果的精确性。

尽管在安全阀排量鉴定方法、系列化安全阀排量的鉴定及影响安全阀排量的结构因素等方面的研究已经取得一定成就，但在先导式安全阀的排量研究中，往往只考虑了主阀的排放量，忽略了主阀外其他阀门的排放量。近年来压水堆核电站对部分关键安全阀的排量要求越来越高，除规定最小排量外，还对最大排量做了限制。例如一回路的稳压器安全阀、二回路的主蒸汽安全阀将最小排量和最大排量限制在一个较小的区域范围内，这就需要对其排量进行精确鉴定，以满足核电系统安全和使用方面的特殊要求。本文以某压水堆核电站稳压器先导式安全阀为例，进行精确的排量鉴定。

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稳压器先导式安全阀排量参数

稳压器安全阀是压水堆一回路超压保护装置，安全等级为1级。为了满足系统的超压保护要求，规定了安全阀的最小排量；为了防止安全阀排量过大、排放过快导致堆芯过冷，对安全阀的最大排量也做出限制。某压水堆稳压器先导式安全阀排量相关的主要参数如表1所示。

表1  稳压器先导式安全阀排量相关参数

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稳压器先导式安全阀排量鉴定流程

3.1  安全阀结构及工作原理

某压水堆稳压器先导式安全阀主要由主阀、弹簧导阀和切换阀组成。弹簧导阀通过感应管与主阀进口相连，弹簧导阀的阀腔与切换阀A端相连，切换阀中腔与主阀阀腔相连，弹簧导阀内置有一个梭阀，可以进行开启和关闭，见图1。切换阀是一个三通阀，根据A端介质压力的变化完成自动的切换换向。主阀的开启和关闭均由弹簧导阀控制。

图1  稳压器先导式安全阀结构示意图

正常工况下，主阀关闭，弹簧导阀关闭，弹簧导阀中的梭阀处于开启位置，切换阀A端开启，B端关闭。当系统压力达到导阀的开启感应压力时，弹簧导阀开启，系统压力进一步升高使弹簧导阀达到全开，从而导致弹簧导阀中的梭阀关闭，切换阀B端开启，切换阀A端关闭，主阀中腔压力通过切换阀排放，主阀开启。当系统压力下降到回座压力时，弹簧导阀关闭，弹簧导阀中的梭阀开启，切换阀A端开启，B端关闭，主阀中腔压力上升，主阀关闭。弹簧导阀在整个动作过程中只是在开启的瞬间排放介质，随后由于梭阀关闭及切换阀的切换，弹簧导阀不再排放介质，因此弹簧导阀属于非流动性导阀。

3.2  排量限制分析

稳压器先导式安全阀要求的最小排量为210 t/h，最大排量为256 t/h，且最大排量是最小排量的1.22倍。超压保护功能是安全阀最重要的功能，由于安全阀不依赖任何外部能源而动作，故通常作为受压设备的最后一道保护装置，其作用无法以其他保护装置代替。在安全阀选型计算中，必须确保系统压力达到排放压力时安全阀能够全量排放，使系统压力下降，起到超压保护作用；因此，在安全阀流道直径计算时，为了确保安全阀的安全排放功能，应以安全阀的额定排量不小于最小排量进行计算。为了防止安全阀排量过大、排放过快导致堆芯过冷，对安全阀的最大排量做了限制，在安全阀的选型计算中，应以该最大排量限制安全阀的实际排量。

通过以上分析，安全阀最大排量要基于其实际排量，最小排量要基于其额定排量。对于本文中的稳压器先导式安全阀，最大排量是最小排量的1.22倍，将其最小排量（额定排量）转换成实际排量，则本文中稳压器先导式安全阀最大排量是最小排量的1.1倍；将排量限制在一个较窄的范围内，实际上是对安全阀的排量进行了极为严格的控制。为了满足排量限制的要求，必须对安全阀流道直径（或者排放面积）进行精确的计算。从排量限制及流道精确计算角度看，每一台稳压器安全阀均是针对其规格书的定制产品，安全阀的排量需要通过试验验证其排量是否满足规格书中规定的排量限制要求。

3.3  排量鉴定流程

在稳压器先导式安全阀样机研制过程中，排量鉴定是重要的鉴定项目。由于对排量的严格限制，需要通过试验进行验证，可能存在多次迭代的过程，直到试验结果满意为止。稳压器先导式安全阀排量鉴定的流程如图2所示。

图2  排量鉴定流程

借鉴同类安全阀产品的设计经验，根据安全阀的结构特点，初定安全阀的额定排量系数；基于安全阀的最小排量及排放压力进行选型计算，初步确定安全阀的流道直径；进行样机制造及性能试验；性能试验合格后进行排量试验及排量系数的计算；根据试验得到的排量系数计算安全阀的排量，判断是否满足规格书的要求，判断准则为安全阀的额定排量不小于最小排量，实际排量不大于最大排量。若满足要求，则该流道直径下的排量满足规格书要求；若不满足要求，则调整流道直径，重新进行安全阀的性能试验及排量试验，直到满足规格书要求为止。初定的安全阀额定排量系数与阀门的实际额定排量系数越接近，后期流道直径需要调整的就越小。

以本文中稳压器先导式安全阀排量参数为计算依据，初定额定排量系数为0.765，对阀门进行初步选型计算，计算得到主阀的流道直径为60 mm，流道面积为2827.43 mm2，随后进行样机的设计和制造。

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稳压器先导式安全阀排量鉴定

4.1  鉴定试验方法及选择

稳压器先导式安全阀是安全1级阀门，执行的RCC-M或ASME规范均按ASME Ⅲ NB-7700的规定进行安全阀排量鉴定。ASME Ⅲ NB-7730对可压缩流体安全阀的排量鉴定规定了流动模型法、斜率法、排量系数法和单阀法四种试验方法。

斜率法、排量系数法适用于安全阀系列产品的排量试验。斜率法是从一个特定设计的安全阀系列中按一定的规则选取4台阀门进行排量试验，每台阀门试验得出的斜率（测量排量与进口绝对压力之比）应均在平均斜率±5%的范围内。而排量系数法是从一个安全阀系列产品中选取三种不同尺寸阀门，每一种尺寸阀门选择3种不同压力值，共9台阀门进行排量试验；每台阀门试验得出的排量系数应均在平均排量系数±5%的范围内。斜率法、排量系数法得到的排量系数或斜率适用于该安全阀系列产品，但对该系列产品中某一产品而言，其排量系数或斜率与该系列产品的排量系数或斜率存在-5%~5%的偏差。

流动模型法适用于试验装置能力无法满足全尺寸安全阀排量要求时，使用3个小尺寸的流动模型阀门进行排量认证；该方法要求流动模型阀门和全尺寸安全阀有严格的比例关系，因此严格意义上讲，流动模型法是一种间接的排量鉴定方法。由于严格要求流动模型阀门和全尺寸安全阀之间的比例关系，在实际执行过程中难度大、可操作性低，且流动模型法中3个小尺寸的流动模型阀门是按照排量系数法进行排量试验的，同样存在排量系数有-5%~5%偏差的问题。

单阀法适用于一个规格多个整定压力的安全阀。单阀法只进行一个规格阀门在不同压力下的排量试验，与系列化安全阀使用的斜率法和排量系数法相比，不存在其他规格的阀门对其排量系数因取平均值而产生偏差的影响，因此单阀法排量鉴定的精度更高。

稳压器先导式安全阀由于其排量的限制，是针对规格书研制的定制产品，因此对排量鉴定的精度要求高。综上所述，单阀法最适合稳压器先导式安全阀的排量鉴定。

4.2  排量计算模型的确定

先导式安全阀的基本原理相同，但结构形式有较大差异，导阀有流动型和非流动型之分。先导式安全阀排量试验过程中通过流量计的介质除由主阀阀座排放外，还可能通过导阀或其他途径排放，因此应按照先导式安全阀具体结构形式建立排量系数计算模型，再进行排量试验。

从本文稳压器先导式安全阀结构及原理可知，主阀正常开启排放过程中，系统介质是通过主阀和切换阀排放，从而达到超压保护的作用。主阀排量系数计算模型的公式如下：

      （1）

    （2）

（3）

式中  Kd——主阀排量系数

W1——流量计测量流量值，kg/h

W2——切换阀流量，kg/h

W3——主阀理论排量，kg/h

Kv——切换阀流量系数（通过试验测得）

Pzq——排量试验过程中排放压力下测得相应的主阀中腔压力，MPa.a（绝对压力）

A——主阀流道面积，mm2

Pd——排量试验过程中排放压力，MPa.a（绝对压力）

4.3  排量试验及排量鉴定

稳压器先导式安全阀按单阀法进行排量鉴定。由于阀门排放压力17.23 MPa.a超过试验台架排量试验的能力，按照ASME NB-7735规定，在基于阻塞流工况（即临界流动）下，选用较低的压力进行试验以确定额定排量系数Kdr。试验中选取的3个排放压力分别是11.33 MPa、11.26 MPa、10.45 MPa，试验介质为饱和蒸汽，试验系统见图3。

图3  排量试验系统示意图

在进行排量鉴定试验前，应完成阀门的功能性试验，阀门的各项性能指标应满足规格书要求，尤其是阀门的开启高度必须达到设计规定值。稳压器先导式安全阀性能试验过程中，17.23 MPa.a排放压力下测得主阀中腔的压力为10.338 MPa.a。切换阀流量系数Kv通过试验测得，为3.92。主阀流道面积A的初步计算值为2827.43 mm2。

在图3所示的试验系统上分别进行3个排放压力的排量试验，记录流量计及主阀中腔的压力数据；随后按式（2）和式（3）分别计算切换阀流量、主阀理论排量；最后按式（1）计算主阀的排量系数，试验数据及计算结果见表2。主阀的排量系数为3个排放压力下测量的排量系数的平均值0.820，乘以0.9得到额定排量系数Kdr为0.738。3次测量的排量系数与平均排量系数偏差在±2%内，小于斜率法和排量系数法中的±5%，进一步说明单阀法试验测量的排量系数比斜率法和排量系数法测量的更加精确。

表2  排量试验数据及计算结果

稳压器先导式安全阀在17.23 MPa.a的排放压力下，对切换阀的流量W2、主阀的排量W3及主阀额定排量W3'分别进行计算，计算结果见表3。稳压器先导式安全阀排量鉴定的准则是额定排量不小于最小排量，实际排量不大于最大排量。

稳压器先导式安全阀实际排量是主阀排量与切换阀流量之和，为229.8 t/h，小于256 t/h最大排量要求，满足规格书对最大排量的要求；稳压器先导式安全阀额定排量是主阀额定排量与切换阀流量之和，为207.3 t/h，小于210 t/h最小排量要求，不满足规格书规定的最小排量要求。由式（3）可知，排量与流道面积成正比，可通过增加主阀的流道面积达到增加排量的目的，但由于最大排量的限制要求，流道面积不能增加太多。稳压器先导式安全阀额定排量比要求的最小排量小约1.3%，流道面积增加1.5%~3%较为合适；故对安全阀的流道直径进行微调，将主阀的流道直径从现有的60 mm微调至60.7 mm，面积为2893.79 mm2，面积增加2.3%。

表3  排放压力下排量计算结果

因主阀的流道直径仅进行了微调，之前试验得到的主阀排量系数仍然有效。以17.23 MPa.a排放压力、0.738额定排量系数和2893.79 mm2排放面积重新迭代计算主阀的排量W3及主阀额定排量W3'，计算结果见表4。稳压器先导式安全阀的实际排量为235.1 t/h，小于256 t/h最大排量要求，满足规格书对最大排量的要求；稳压器先导式安全阀额定排量为212.1 t/h，大于210 t/h最小排量要求，满足规格书规定的最小排量要求。最终稳压器先导式安全阀的流道直径确定为60.7 mm，满足规格书对安全阀最小排量、最大排量的限制要求。

表4  主阀排量迭代计算结果

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结语

安全阀是核电站中重要的超压保护装置，安全阀的排量鉴定是核电安全阀鉴定试验中最重要的一个项目。本文以某压水堆核电站稳压器先导式安全阀为例，制定了样机研制过程中排量鉴定试验流程；基于安全阀的结构形式及工作原理，确定了排量计算模型；分析论述了各种排量鉴定试验方法的优缺点，选择单阀法作为精确排量鉴定的试验方法，通过试验、计算以及迭代，最终完成了稳压器先导式安全阀的排量鉴定。本文为核电站系统中有排量限制要求的安全阀的精确排量鉴定提供了思路和方法。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2025年第7期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。