探析核電廠主蒸汽隔離閥研制的關(guān)鍵難點(diǎn)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(guó)產(chǎn)化的重要意義及國(guó)產(chǎn)主蒸汽隔離閥研發(fā)現(xiàn)狀，分析說(shuō)明主蒸汽隔離閥研制過(guò)程面臨的設(shè)計(jì)要求難點(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，提出核電廠主蒸汽隔離閥國(guó)產(chǎn)化研制的關(guān)注事項(xiàng)和建議措施，為主蒸汽隔離閥國(guó)產(chǎn)化研制提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠 ?主蒸汽隔離閥 ?國(guó)產(chǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM62 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(guó)已投產(chǎn)核電機(jī)組的MSIV均為進(jìn)口設(shè)備。MSIV的國(guó)產(chǎn)化，不僅能節(jié)省核電設(shè)備采購(gòu)成本，也將使我國(guó)高端核電設(shè)備不再受制于人，同時(shí)還能推動(dòng)相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近年我國(guó)加大高端核電裝備研發(fā)力度，啟動(dòng)了MSIV自主研制的嘗試，但是，國(guó)產(chǎn)MSIV缺乏設(shè)計(jì)參數(shù)下的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證，要實(shí)現(xiàn)MSIV的完全國(guó)產(chǎn)化并確保其高安全性、高可靠性，閥門(mén)制造廠仍然面臨著很大難題，本文將針對(duì)核電廠MSIV研制的關(guān)鍵難點(diǎn)及其處理進(jìn)行闡述。

1 ?MSIV基本概述

壓水堆核電廠的MSIV，通常設(shè)計(jì)為安裝在安全殼外的各個(gè)二回路主蒸汽管道中，雖然MSIV屬于核二級(jí)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(yùn)行過(guò)程中起到至關(guān)重要的安全功能。在機(jī)組正常啟停階段，通過(guò)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(kāi)，以便進(jìn)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(shí)現(xiàn)閥門(mén)可靠關(guān)閉，迅速截?cái)嗳我环较虻恼羝鳎苊馐鹿蕯U(kuò)大。主蒸汽管道穿過(guò)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(jìn)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(jìn)入二回路系統(tǒng)和設(shè)備，減輕事故后果。

我國(guó)已投產(chǎn)的核電廠中，MSIV通常情況采用進(jìn)口設(shè)備，由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高以及供貨周期長(zhǎng)等各方面因素，曾一度對(duì)我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展造成一定的制約。目前我國(guó)部分閥門(mén)制造廠家經(jīng)過(guò)多年研究，使MSIV實(shí)現(xiàn)部分國(guó)產(chǎn)化，比如目前在建的華龍一號(hào)示范工程福清核電5號(hào)機(jī)組的MSIV，閥門(mén)本體由蘇閥制造，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍依托進(jìn)口。

2 ?核電廠MSIV研制的關(guān)鍵難點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)要求難點(diǎn)

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(mén)必須在5s內(nèi)迅速截?cái)嗳我环较虻恼羝?，防止失控的蒸汽噴放量超過(guò)一臺(tái)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(jī)構(gòu)均可用;

（3）能在正常運(yùn)行工況下進(jìn)行閥門(mén)局部關(guān)閉試驗(yàn)（100%開(kāi)度-90%開(kāi)度-100%開(kāi)度）;

（4）保證全開(kāi)位置、全關(guān)位置以及90%開(kāi)度位置的長(zhǎng)距離位置指示;

（5）需要保證在設(shè)計(jì)工況下的3000次循環(huán)壽命，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求以及各項(xiàng)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(jì)難點(diǎn)

通常情況下MSIV由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及閥門(mén)本體三部分組成。目前我國(guó)正在建設(shè)以及運(yùn)行的百萬(wàn)千瓦壓水堆核電機(jī)組主要采用楔式雙閘板閘閥等形式。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：第一，結(jié)合MSIV實(shí)際情況以及功能要求，可以采用自壓密封式結(jié)構(gòu)，同時(shí)閥蓋與閥體同樣需要采用該結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)密封性與穩(wěn)定性較強(qiáng)，盡管在實(shí)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(huì)受到影響，同時(shí)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(jì)過(guò)程中，還可以使用上密封結(jié)構(gòu)。因?yàn)樯厦芊饨Y(jié)構(gòu)可以在填料函密封失去作用時(shí)，保證MSIV的穩(wěn)定性與可靠性。

3 ?核電廠MSIV研制難點(diǎn)處理

3.1 加強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算工作

MSIV屬于核安全二級(jí)設(shè)備，在閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jí)設(shè)備來(lái)開(kāi)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(jì)載荷，使用載荷與設(shè)計(jì)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(jìn)行工況計(jì)算時(shí)，需提前掌握并了解閥體形狀、閥體應(yīng)力等。在對(duì)MSIV進(jìn)行抗震分析與應(yīng)力分析工作時(shí)，可以使用有限元分析法等。目前MSIV研制單位，通常情況下會(huì)使用行業(yè)認(rèn)可的力學(xué)軟件對(duì)MSIV進(jìn)行抗震分析與應(yīng)力計(jì)算。

3.2 做好閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用

閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是MSIV重要組成部分，MSIV的各項(xiàng)功能需要通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。所以，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用，對(duì)MSIV的使用壽命以及產(chǎn)品功能會(huì)產(chǎn)生直接影響。需要從以下4方面進(jìn)行考慮：

一是要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制力矩對(duì)閥門(mén)密封面的影響，力矩較大易造成密封面損壞;力矩較小，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封效果。

二是要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式。目前普遍采用氣液聯(lián)動(dòng)方式，裝置主要包括氮?dú)赓A罐、液壓回路以及管路附件等組成部分。制造廠在進(jìn)行MSIV研制時(shí)，需要基于閥門(mén)在各種工況下快關(guān)時(shí)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(jī)構(gòu)的控制原理、接口形式等。

三是要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)閥門(mén)固有頻率造成的影響。要將驅(qū)動(dòng)裝置體積做到盡可能小，重心盡可能低，設(shè)計(jì)盡可能緊湊，剛性較好。

四是要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的配套研發(fā)?？刂葡到y(tǒng)是閥門(mén)驅(qū)動(dòng)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(mén)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(huì)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(mén)性能，如鑄件質(zhì)量決定閥門(mén)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(mǎn)足耐高溫、耐高壓、耐輻照等特性，且不能對(duì)其接觸的部分產(chǎn)生腐蝕。

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

4 ?結(jié)語(yǔ)

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(jì)和制造工藝方面的復(fù)雜性，需要閥門(mén)制造廠在MSIV研制過(guò)程中，要充分吸收進(jìn)口設(shè)備設(shè)計(jì)理念，結(jié)合核電廠MSIV調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，加大研制上的設(shè)計(jì)資源投入。同時(shí)，相關(guān)工作人員需要端正工作態(tài)度，認(rèn)識(shí)到自身工作重要性，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待各環(huán)節(jié)工作，做好閥門(mén)控制回路方式、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及原材料的設(shè)計(jì)、選擇工作，不斷提升國(guó)產(chǎn)MSIV的可靠性、安全性以及零部件國(guó)產(chǎn)化率。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 李玉紅.主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)列間信號(hào)傳輸功能的設(shè)計(jì)[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(diǎn)分析[J].核動(dòng)力工程，2018（3）：138-142.