核電閥門設計規范的相關探討

陸思雄

摘要：本文主演闡述了核電閥門設計規范的相關內容，從材料、抗震分析等方面進行分析。

關鍵詞：核電閥門;設計規范

中國核電建設已經走過了20余年，先后通過自行設計開發和引進國外技術等多種方式建造了秦山一、大亞、秦山二期、嶺澳一期、秦山三期和田灣等核電站。這些核電站采用了美國、法國、俄羅斯和加拿大等國家的核電規范。本文主要對核電閥門設計中應用的美、法、俄，三國的核電規范異同點進行比較和分析。本文討論的規范及版本號為美國鍋爐和壓力容器規范第 Ⅲ卷———ASMEⅢ -2004（簡稱 ASMEⅢ，下同）、法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則———RCC-M2000版+2002補遺（簡稱 RCC-M，下同 ）和俄羅斯核電閥門設計制造規范———OTT-87 （簡稱 OTT-87，下同）。

1 一級設備

NB-3500 規定了一級閥門的設計和應力分析規范。當閥門口徑 ≤NPS 4 時 ， 可按 ASME B16.34的方法進行設計。但應注意在殼體壁厚的計算時 ，NB-3500 對閥體基本內徑 d m 的定義為臨近焊端區域的閥體內徑較大者 ， 而ASME B16.34 規定的閥體基本內徑為流道的最小直徑 ， 但不得小于閥體端部基本內徑的 90%。此內徑的定義同樣應用于口徑>NPS 4 的一級閥門的殼體壁厚計算中 。兩種定義的區別意味著按 B16.34 閥體最小壁厚的要求設計的閥門不能認為就自動符合 NB-3500 要求的閥體最小壁厚。

2 二級設備和三級設備

一般情況下，二級和三級設備用的閥門符合ASME B16.34 的要求， 同時也能滿足 NC-3500 和ND-3500 的要求。承壓件的最大許用應力值按ASME BPVC-Ⅱ-D-1 表 1A/表 1B 的規定選取 ， 承壓螺栓的許用應力按 ASME BPVC-Ⅱ-D-1的規定選取。

3 材料

3.1 承壓件

ASMEⅢ和 RCC-M規范都規定對于承壓零部件，其材料應滿足規范要求，只能選擇規范中允許的材料，并規定了允許材料的溫度壓力額定值、設計應力強度值和許用應力，而對于非承壓零件的材料則沒有強制要求。但 ASMEⅢ和 RCC-M對于承壓零件種類的定義是有區別的。ASMEⅢ規定，閥門的閥體、閥蓋、閥瓣和承壓螺栓是承壓零件，而閥座、閥桿、填料和墊片等都屬于非承壓零件，以及對安全閥的閥瓣和噴嘴、控制閥的閥瓣和套筒、進口尺寸≤NPS2的管線閥門的閥瓣等零件可以作為非承壓零件進行設計和選材。RCC-M規定，閥體、閥蓋、盲板、閥座、噴嘴、套筒、閥瓣、承壓螺栓/螺母、閥桿、法蘭和配對法蘭是承壓零件。

3.2 閥桿和承壓螺栓

設計中，由于兩個規范對于承壓件的不同定義，帶來材料選擇和應力計算的不同。核電閥門的閥桿和承壓螺栓越來越多地采用沉淀硬化鋼制造，如 ASMESA-564 （棒材）/SA-705（鍛件）中的630（ 0Cr17Ni4Cu4Nb）以及631（0Cr17Ni7Al） 631不是 ASMEⅢ和 RCC-M規范允許采用的核級材料， 因此根據承壓件定義的不同 ， 631可用于 ASMEⅢ核級閥門的閥桿，但不能作為 RCC-M規范的閥桿材料。630對應于 RCC-M規范的材料牌號為 M5110/X6CrNiCu17 -04（簡稱法標 630， 下同 ），但是法標 630與國內對應材料 17 -4PH的化學成分差異較大， 無法在國內直接采購， 而閥桿和承壓螺栓的材料用量有限，且棒材規格太多，特殊冶煉成本較高，因此一般情況下建議該材料以美標或國標代用，但僅限于化學成分，其余機械性能、沖擊和無損檢測等都應完全按RCC-M規范執行，這點需要與設計院和工程公司進行很好的溝通。

3.3 主體部件

RCC-M規范根據主體部件對晶間腐蝕的敏感性將材料分為3大類，并對主體材料的選擇進行了規定。

（1）1組

考慮晶間腐蝕的危險，材料固溶熱處理后，制造過程中要進行焊接、熱加工或熱處理（450℃以上），但隨后不進行固溶熱處理（鑄件的補焊應視為等同焊接操作）。此類材料有含鉬或不含鉬的超低碳奧氏體不銹鋼和用鈮或鈦穩定的奧氏體不銹鋼，以及超低碳并控制含氮量的含鉬或不含鉬的奧氏體不銹鋼（M228），如控制含氮量的 Z2CN18.10和控制含氮量的 Z2 CND17.12等，及含碳量不大于 0.040%和鐵素體含量（用 Schaef-fler圖測定）為 12% ～ 20%的含鉬或不含鉬的鑄造奧氏體鐵素體不銹鋼（M227），如 Z3CN20.09M和 Z3 CND19.10M。

（2）la組

考慮晶間腐蝕的危險，材料固溶熱處理后，制造過程中只進行焊接，焊縫厚度不超過 3mm。此類材料有 1組用的鋼和低碳奧氏體不銹鋼 Z5 CN18.10和 Z5 CND17.12等 。

（3）2組

考慮晶間腐蝕的危險，材料固溶熱處理后，不進行焊接、熱加工或熱處理（>450℃）。此類材料有l組和la組用的鋼及 Z6CN18.10和 Z6 CND17.12等。由于核級閥門一般都是與管道焊接連接，密封面進行堆焊，在 RCC-M規范中應歸為 1組材料。而 ASMEⅢ規范中沒有類似的材料分組，主體材料可以選擇低碳奧氏體不銹鋼，如 F304或 F316，而該類材料在 RCC-M規范中一般情況下由于焊接或堆焊等原因是不能采用的。因為 RCC-M比ASMEⅢ更加關注奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02% ～ 0.03%， 而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（CrFe） 23 C 6 等。

4 抗震計算

有抗震要求的核電閥門都要求能通過抗震計算。對抗震 1A 類 （能動）閥門，要求其在 SL2 發生時仍能保持壓力邊界的完整性、以及可操作性。

對于抗震 1I 類 （非能動）閥門，僅要求其在 SL2下能保持其壓力邊界的完整性。ASME BPVC-Ⅲ中沒有明確給出抗震計算的細節。核電閥門通常都要求閥門延伸結構的一階自振頻率>33 Hz （地震的頻率一般 ≤33 Hz），即要求為剛性閥門，并檢驗軸最大偏移量是否符合要求。自振頻率的計算可采用Rayleigh 法。也可采用有限元分析法計算閥門的自振頻率，以便獲得更加準確的結果。

5 結語

本文概述了核電閥門在設計中應注意的一些問題，有的章節如應力計算和抗震分析等限于篇幅不能詳細說明，但作為規則法和等效靜力法的計算準則和公式均在 ASME BPVC 規范中有較詳細的說明。同時 ASME BPVC 規范中有些計算準則還存在某些爭議，如在計算一級設備的殼體壁厚時，采用了與 ASME B16.34 不同的基本內徑的定義，計算閥體一次應力、二次應力時采用標準計算壓力而不是設計壓力進行計算。

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