核電站用高溫高壓核級(jí)儀表閥設(shè)計(jì)研究

王占元，王蘭蘭

（1.華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

核級(jí)儀表閥是核電站中大范圍使用的儀控設(shè)備，常與變送器配套使用，多用于壓力、流量、液位測(cè)量，可作為儀表管排污、排氣、在役校驗(yàn)和設(shè)備更換時(shí)的切斷閥，防止放射性含硼水及其他有害氣體泄漏到環(huán)境中。核級(jí)儀表閥既是切斷閥，又是承壓設(shè)備，必須具有較高技術(shù)要求和嚴(yán)格質(zhì)保要求[1]。

1 核級(jí)儀表閥介紹

現(xiàn)階段已投入商業(yè)運(yùn)行的核電廠中，使用的高溫、高壓核級(jí)儀表閥多為國外進(jìn)口產(chǎn)品，僅有少量國產(chǎn)化。國內(nèi)在建核電站中以三代壓水堆“華龍一號(hào)”為代表，其設(shè)計(jì)是根據(jù)福島核事故經(jīng)驗(yàn)反饋以及國內(nèi)和全球最新安全要求，同時(shí)也吸取了以往電站經(jīng)驗(yàn)反饋的內(nèi)容。

1.1 核級(jí)儀表閥參數(shù)

1.1.1 安全等級(jí)

核級(jí)儀表閥依據(jù)RCC-M設(shè)計(jì)建造規(guī)則A4260節(jié)，將第一道關(guān)閉閥下游側(cè)的儀表管線（其等級(jí)為2級(jí)和3級(jí)的承壓設(shè)備）規(guī)定為“小型設(shè)備”。管閥件遵循RCC-M E卷要求（材料）。儀表的根閥大部分處于常開狀態(tài)，無法作為承壓邊界。因此，RCC-M級(jí)儀表管閥件的安全等級(jí)均為核安全2、3級(jí)，其設(shè)計(jì)、制造要求遵循RCC-M C、D篇。所有儀表管閥件均為抗震1I類。

1.1.2 類別和密封方式

常用的核級(jí)儀表閥可分為截止閥、球閥、三閥組截止閥、五閥組截止閥。根據(jù)密封方式的類別又可分為波紋管密封和填料密封。

1.1.3 磅級(jí)的確認(rèn)

核級(jí)儀表閥用于反應(yīng)堆冷卻劑或硼酸系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為17.2MPa（a），設(shè)計(jì)溫度不高于343℃。用于二回路系統(tǒng)時(shí)，該設(shè)計(jì)壓力為8.6MPa（a），設(shè)計(jì)溫度不高于316℃。但部分特殊系統(tǒng)超過上述壓力值，最高26.5MPa。通常情況下儀表閥處可認(rèn)為溫度低于100℃。根據(jù)卡套的安裝位置，可認(rèn)為溫度低于250℃。因此，參照上述環(huán)境條件，大多管閥件不超過1500LB。

1.2 設(shè)計(jì)研發(fā)背景

在華龍一號(hào)設(shè)計(jì)中，考慮了當(dāng)前核電站現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)高溫高壓核級(jí)儀表閥的經(jīng)驗(yàn)反饋。華龍一號(hào)新增應(yīng)急硼注入系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壓力為24MPa，溫度為60℃。某新建核電廠現(xiàn)場(chǎng)在執(zhí)行柴油發(fā)電機(jī)和水壓試驗(yàn)泵無密封注水帶負(fù)荷起動(dòng)和運(yùn)行試驗(yàn)規(guī)程中，根據(jù)運(yùn)行規(guī)程要求啟泵后，RIS011PO會(huì)短時(shí)憋壓運(yùn)行10min，此時(shí)RIS011PO出口的實(shí)際壓力將超過RIS041LP的最大量程25MPa，無法實(shí)現(xiàn)RIS011PO出口壓力的監(jiān)測(cè)，對(duì)儀表本身也可能造成損壞，需要更換更大量程的壓力表。RIS041LP儀表量程為0～25MPa，為安裝在RIS011PO泵出口處的就地壓力表，用來測(cè)量泵出口壓力。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

在核電站管閥件設(shè)計(jì)中，核級(jí)儀表閥的磅級(jí)基本都不超過1500LB，但對(duì)于1.2節(jié)中出現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)反饋，經(jīng)過計(jì)算得出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求1500LB是不滿足要求的。因此，依照經(jīng)驗(yàn)反饋中的要求和現(xiàn)場(chǎng)條件，需要設(shè)計(jì)一種滿足高溫高壓，磅級(jí)為2500LB的核級(jí)儀表閥。

設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：

1）工藝參數(shù)：工作介質(zhì)為反應(yīng)堆冷卻劑或硼酸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壓力為26.5MPa（a），設(shè)計(jì)溫度不高于150℃。

2）儀表閥為RCCM2級(jí)，質(zhì)保等級(jí)為QA2，抗震類別為1Ⅰ類。

3）制造要求：閥門和閥組的閥體應(yīng)整體鍛造。

4）型式要求：閥門和閥組的手柄應(yīng)便于操作，閥組建議采用手柄扇形向上的形式；閥門和閥組應(yīng)確保能夠漸開以防止介質(zhì)噴射；閥門和閥組應(yīng)具有上密封結(jié)構(gòu)，波紋管密封形式除外。閥門和閥組本體上應(yīng)有用于固定閥門的安裝孔。

5）儀表閥規(guī)格：SWAGE 3/8"×3/8"OD 2500LB。

6）泄漏要求

◇ 關(guān)于外泄漏，閥門應(yīng)確保不會(huì)由閥桿、閥蓋與閥體的密封墊處向環(huán)境產(chǎn)生任何泄漏。波紋管密封的閥門，應(yīng)進(jìn)行氦氣檢查，保證泄漏率不大于6.5×10-9Pa·m3/s。閥門密封填料不應(yīng)對(duì)閥桿產(chǎn)生腐蝕影響，填料盒在正常擰緊后應(yīng)具有低磨擦系數(shù)及良好的力學(xué)特性。

◇ 關(guān)于內(nèi)泄漏，應(yīng)保證無可見泄漏。

7）抗震要求：閥門和閥組的抗震試驗(yàn)或分析應(yīng)符合NB/T 20010.1-2010，滿足運(yùn)行基準(zhǔn)地震動(dòng)SL1、安全停堆地震動(dòng)SL2的要求，SL2為3個(gè)方向同時(shí)作用6g加速度。

8）設(shè)計(jì)壽命

儀表閥冷態(tài)循環(huán)中，儀表閥應(yīng)至少能承受3000次冷態(tài)循環(huán)次數(shù)操作。熱態(tài)循環(huán)中，儀表閥在運(yùn)行壓力和150℃下，至少能承受500次循環(huán)次數(shù)操作，冷、熱態(tài)循環(huán)次數(shù)操作試驗(yàn)后，儀表閥的功能部件和閥座密封性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

9）帶壓可操作性

儀表閥在最大差壓為15.4MPa的情況下依然能夠正常執(zhí)行操作動(dòng)作。

10）閥門附件要求

閥門開關(guān)操作應(yīng)采用手輪或手柄手動(dòng)進(jìn)行，手輪或手柄應(yīng)盡可能小。開啟方向應(yīng)為逆時(shí)針方向。

11）連接方式

閥門和閥組可配備3/8"OD儀表管以用于插套焊或卡套的連接方式，儀表管各項(xiàng)要求應(yīng)滿足卡套供貨商對(duì)儀表管的匹配要求。該儀表管應(yīng)留有足夠長度，使現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行儀表管與閥門之間的焊接時(shí)不會(huì)影響閥門性能，但兩側(cè)總長度一般不超過120mm。

12）材料要求：用于制造RCC-M 2、3級(jí)儀表管閥件的材料需滿足RCC-M E2000的要求，或采用與RCC-M E2000中所列EN標(biāo)準(zhǔn)等效的ASTM標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)。

3 儀表閥設(shè)計(jì)

3.1 閥門設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)反饋，并根據(jù)第2章核級(jí)儀表閥設(shè)計(jì)技術(shù)要求，可知需要設(shè)計(jì)一種磅級(jí)為2500LB的三閥組核級(jí)儀表閥，閥體簡(jiǎn)圖見圖1。

儀表閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)閥體與閥蓋采用螺紋連接，同時(shí)提供足夠的預(yù)緊力（無墊片金屬密封），并在密封試驗(yàn)合格后進(jìn)行密封焊。閥座密封面為閥體本體材料Z2CND17-12，閥瓣密封面也是本體材料X6CrNiCu17-04。

3.2 波紋管選擇

波紋管是指用可折疊皺紋片沿折疊伸縮方向連接成的管狀彈性敏感元件，波紋管是儀表閥的關(guān)鍵部件，關(guān)系到整體閥門的密封、壽命和可靠性等性能，簡(jiǎn)圖參見圖2。

依據(jù)表1閥門參數(shù)，對(duì)儀表閥波紋管的選擇提出了兩種技術(shù)方案，方案對(duì)比參見表2。

方案一，根據(jù)“JB/T11620-2013核級(jí)閥門金屬波紋管”[2]，波紋管耐壓應(yīng)為38℃時(shí)設(shè)計(jì)壓力的1.25倍，按設(shè)計(jì)壓力（見20℃的許用壓力）計(jì)算，可得出在20℃時(shí)CL2300LB波紋管耐壓值為44.16MPa，CL2500LB波紋管耐壓值應(yīng)為48MPa。因此，波紋管耐壓值按設(shè)計(jì)壓力的1.25倍來計(jì)算是能滿足運(yùn)行工況下設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的要求。方案二，波紋管在20℃時(shí)的耐壓值能滿足要求，閥門也可以滿足設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)工況的要求。

表1 閥門主要參數(shù)Table 1 Main parameters of valve

圖1 核級(jí)儀表閥簡(jiǎn)圖Fig.1 Nuclear level instrument valve diagram

圖2 波紋管簡(jiǎn)圖Fig.2 Corrugated pipe diagram

表2 波紋管方案對(duì)比Table 2 Comparison of corrugated pipe schemes

兩種方案都是可行的，對(duì)比分析可知，方案一閥門通常進(jìn)行的殼體壓力試驗(yàn)為1.5倍許用壓力，如果按此計(jì)算，波紋管耐壓值最好應(yīng)該為：CL2300LB取52.99MPa，CL2500LB取57.6MPa，否則，在整機(jī)試驗(yàn)時(shí)殼體需要單獨(dú)試驗(yàn)。方案二波紋管通用性較強(qiáng)，最大可用在DN20 CL2500儀表閥門上。但閥體寬度要達(dá)到95mm左右，造成閥門體積較大，重量較大，約為8kg（方案一的閥門重量約1.3kg），同時(shí)管道承載較大，需要的安裝空間也較大。考慮核電站現(xiàn)場(chǎng)條件和施工調(diào)試等因素在設(shè)計(jì)中考慮實(shí)行方案一。

3.3 波紋管要求

1）應(yīng)在CL2500（38.4MPa）下5000次循環(huán)壽命試驗(yàn)。完成循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行6.5×10-9/Pa.m3/s氦質(zhì)譜檢漏。

2）進(jìn)行不小于0.6MPa氣密試驗(yàn)，保壓5min，無滲漏。

3）進(jìn)行50.0MPa@20℃的強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)水，保壓10min，波紋管無變形及滲漏現(xiàn)象。

4）波紋管防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)：采用兩段式閥桿，上閥桿與波紋管組件中的一體式閥瓣（下閥桿）之間采用多組鋼珠連接，盡可能降低摩擦力矩，起到波紋管防扭轉(zhuǎn)的作用，保證閥門使用壽命。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)核電站現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)反饋，設(shè)計(jì)一種適用于高溫高壓高磅級(jí)核級(jí)儀表閥，提出了核級(jí)儀表閥設(shè)計(jì)技術(shù)要求，對(duì)比分析了兩種波紋管技術(shù)方案，為三代核電站儀表閥國產(chǎn)化提供參考。