探析核電廠主蒸汽隔離閥研制的關(guān)鍵難點及其處理

黃敏 謝昌銘

摘 ? 要：基于主蒸汽隔離閥在保障核電廠安全方面所起到的重要作用，闡述了核電廠主蒸汽隔離閥的主要功能，并結(jié)合主蒸汽隔離閥國產(chǎn)化的重要意義及國產(chǎn)主蒸汽隔離閥研發(fā)現(xiàn)狀，分析說明主蒸汽隔離閥研制過程面臨的設(shè)計要求難點、結(jié)構(gòu)設(shè)計難點，提出核電廠主蒸汽隔離閥國產(chǎn)化研制的關(guān)注事項和建議措施，為主蒸汽隔離閥國產(chǎn)化研制提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠 ?主蒸汽隔離閥 ?國產(chǎn)

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0110-02

核電廠的主蒸汽隔離閥（MSIV）技術(shù)含量高，自主研制存在著諸多難題，我國已投產(chǎn)核電機組的MSIV均為進口設(shè)備。MSIV的國產(chǎn)化，不僅能節(jié)省核電設(shè)備采購成本，也將使我國高端核電設(shè)備不再受制于人，同時還能推動相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近年我國加大高端核電裝備研發(fā)力度，啟動了MSIV自主研制的嘗試，但是，國產(chǎn)MSIV缺乏設(shè)計參數(shù)下的長時間運行驗證，要實現(xiàn)MSIV的完全國產(chǎn)化并確保其高安全性、高可靠性，閥門制造廠仍然面臨著很大難題，本文將針對核電廠MSIV研制的關(guān)鍵難點及其處理進行闡述。

1 ?MSIV基本概述

壓水堆核電廠的MSIV，通常設(shè)計為安裝在安全殼外的各個二回路主蒸汽管道中，雖然MSIV屬于核二級設(shè)備[1]，但作為核電廠的重大關(guān)鍵設(shè)備之一，在核電廠的安全運行過程中起到至關(guān)重要的安全功能。在機組正常啟停階段，通過MSIV及其旁路閥的關(guān)閉將核島側(cè)供汽管道與常規(guī)島側(cè)的主蒸汽管道隔離開，以便進行下游設(shè)備的檢修。并且在事故情況下能夠根據(jù)接收到的MSIV快速關(guān)閉指令，實現(xiàn)閥門可靠關(guān)閉，迅速截斷任一方向的蒸汽流，避免事故擴大。主蒸汽管道穿過安全殼，MSIV及其上游蒸汽管線作為安全殼的延伸，在發(fā)生蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故情況下，能夠配合其他隔離措施，快速將泄漏進二回路的放射性限制在事故蒸汽發(fā)生器，避免放射性大量進入二回路系統(tǒng)和設(shè)備，減輕事故后果。

我國已投產(chǎn)的核電廠中，MSIV通常情況采用進口設(shè)備，由于進口設(shè)備價格高以及供貨周期長等各方面因素，曾一度對我國核電事業(yè)的發(fā)展造成一定的制約。目前我國部分閥門制造廠家經(jīng)過多年研究，使MSIV實現(xiàn)部分國產(chǎn)化，比如目前在建的華龍一號示范工程福清核電5號機組的MSIV，閥門本體由蘇閥制造，但執(zhí)行機構(gòu)仍依托進口。

2 ?核電廠MSIV研制的關(guān)鍵難點

2.1 設(shè)計要求難點

主要體現(xiàn)在：

（1）任何位置的蒸汽管道或給水管道破裂后，閥門必須在5s內(nèi)迅速截斷任一方向的蒸汽流，防止失控的蒸汽噴放量超過一臺蒸汽發(fā)生器的水裝量，以維持反應(yīng)堆冷卻劑和安全殼壓力升高值在可接受范圍內(nèi);

（2）要保證控制回路的冗余，在任何情況下其控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)均可用;

（3）能在正常運行工況下進行閥門局部關(guān)閉試驗（100%開度-90%開度-100%開度）;

（4）保證全開位置、全關(guān)位置以及90%開度位置的長距離位置指示;

（5）需要保證在設(shè)計工況下的3000次循環(huán)壽命，滿足設(shè)計需求以及各項工作需求[2];

（6）在不同情況下都需要保證MSIV的有效性、可操作性及結(jié)構(gòu)完整性;

（7）需要保證溫度及壓力不斷變化情況下的密封性與可靠性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計難點

通常情況下MSIV由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)以及閥門本體三部分組成。目前我國正在建設(shè)以及運行的百萬千瓦壓水堆核電機組主要采用楔式雙閘板閘閥等形式。其結(jié)構(gòu)設(shè)計難點主要體現(xiàn)在：第一，結(jié)合MSIV實際情況以及功能要求，可以采用自壓密封式結(jié)構(gòu)，同時閥蓋與閥體同樣需要采用該結(jié)構(gòu)。因為該結(jié)構(gòu)密封性與穩(wěn)定性較強，盡管在實際工作中溫度以及壓力出現(xiàn)變化，但是該結(jié)構(gòu)并不會受到影響，同時能夠充分發(fā)揮自身的高溫密封系能，避免介質(zhì)外泄情況產(chǎn)生。第二，在具體設(shè)計過程中，還可以使用上密封結(jié)構(gòu)。因為上密封結(jié)構(gòu)可以在填料函密封失去作用時，保證MSIV的穩(wěn)定性與可靠性。

3 ?核電廠MSIV研制難點處理

3.1 加強設(shè)計計算工作

MSIV屬于核安全二級設(shè)備，在閥門設(shè)計時，需要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定。首先，閥體應(yīng)力以及閥體壁厚的分析要按照核安全一級設(shè)備來開展[3]。其次，MSIV需要承受核電廠壽命期限內(nèi)的使用載荷以及設(shè)計載荷，使用載荷與設(shè)計載荷包括氣錘載荷、地震載荷等，要保障承壓邊界完整性和功能的有效性。在進行工況計算時，需提前掌握并了解閥體形狀、閥體應(yīng)力等。在對MSIV進行抗震分析與應(yīng)力分析工作時，可以使用有限元分析法等。目前MSIV研制單位，通常情況下會使用行業(yè)認(rèn)可的力學(xué)軟件對MSIV進行抗震分析與應(yīng)力計算。

3.2 做好閥門執(zhí)行機構(gòu)的選用

閥門執(zhí)行機構(gòu)是MSIV重要組成部分，MSIV的各項功能需要通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)。所以，執(zhí)行機構(gòu)的選用，對MSIV的使用壽命以及產(chǎn)品功能會產(chǎn)生直接影響。需要從以下4方面進行考慮：

一是要考慮執(zhí)行機構(gòu)控制力矩對閥門密封面的影響，力矩較大易造成密封面損壞;力矩較小，將無法實現(xiàn)密封效果。

二是要考慮執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動方式。目前普遍采用氣液聯(lián)動方式，裝置主要包括氮氣貯罐、液壓回路以及管路附件等組成部分。制造廠在進行MSIV研制時，需要基于閥門在各種工況下快關(guān)時間小于5s的前提要求，考慮MSIV工作溫度、壓力、濕度、載荷裕量，確定MSIV執(zhí)行機構(gòu)的控制原理、接口形式等。

三是要考慮執(zhí)行機構(gòu)對閥門固有頻率造成的影響。要將驅(qū)動裝置體積做到盡可能小，重心盡可能低，設(shè)計盡可能緊湊，剛性較好。

四是要考慮執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的配套研發(fā)。控制系統(tǒng)是閥門驅(qū)動裝置的核心，應(yīng)具有可靠性、穩(wěn)定性、冗余性。

3.3 保證閥門制造原材料質(zhì)量

MSIV研制主要需保證鑄鍛件及非金屬材料質(zhì)量。MSIV的閥體與閥蓋一般采用碳鋼鑄件，閘板、閥桿、閥座等會使用鍛件，填料和中法蘭纏繞墊片等采用非金屬材料（如石墨材料）。材料質(zhì)量決定了閥門性能，如鑄件質(zhì)量決定閥門能承受的極限載荷、密封性;非金屬材料直接與介質(zhì)接觸，必須滿足耐高溫、耐高壓、耐輻照等特性，且不能對其接觸的部分產(chǎn)生腐蝕。

因此在閥門制造過程中，必須做好各部件選材，不僅是在鑄件鑄造過程中，要做好原型件評定工作，嚴(yán)格按照相應(yīng)的工藝流程做好產(chǎn)品無損檢驗，避免主體鑄件缺陷。在非金屬材料選擇時，也要考慮核電廠特殊環(huán)境條件及使用要求。

4 ?結(jié)語

核電廠MSIV是核電廠重大關(guān)鍵設(shè)備之一，與核安全直接相關(guān)，在核電廠的工作中發(fā)揮著不可替代的作用，由于其功能的重要性以及設(shè)備本身在設(shè)計和制造工藝方面的復(fù)雜性，需要閥門制造廠在MSIV研制過程中，要充分吸收進口設(shè)備設(shè)計理念，結(jié)合核電廠MSIV調(diào)試運行經(jīng)驗反饋，加大研制上的設(shè)計資源投入。同時，相關(guān)工作人員需要端正工作態(tài)度，認(rèn)識到自身工作重要性，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)對待各環(huán)節(jié)工作，做好閥門控制回路方式、執(zhí)行機構(gòu)以及原材料的設(shè)計、選擇工作，不斷提升國產(chǎn)MSIV的可靠性、安全性以及零部件國產(chǎn)化率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李玉紅，張楠.“華龍一號”主蒸汽隔離閥定期試驗功能研究與設(shè)計[J].自動化儀表，2018，39（9）：63-67.

[2] 李玉紅.主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)列間信號傳輸功能的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2018，17（8）：101-103.

[3] 熊冬慶，賀振宇，李世欣，等.核電廠主蒸汽隔離閥研制難點分析[J].核動力工程，2018（3）：138-142.