核電廠主蒸汽安全閥內(nèi)漏原因和處理研究

劉希言

【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(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)，提出核電廠主蒸汽隔離閥國產(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)

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(jī)組的MSIV均為進(jìn)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(yùn)行驗(yàn)證，要實(shí)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(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(yùn)行過程中起到至關(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(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)閥門可靠關(guān)閉，迅速截斷任一方向的蒸汽流，避免事故擴(kuò)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(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(shí)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(jī)組的MSIV，閥門本體由蘇閥制造，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(jī)構(gòu)均可用;

（3）能在正常運(yùn)行工況下進(jìn)行閥門局部關(guān)閉試驗(yàn)（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(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)以及閥門本體三部分組成。目前我國正在建設(shè)以及運(yùn)行的百萬千瓦壓水堆核電機(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?yàn)樯厦芊饨Y(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(diǎn)處理

3.1?加強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行抗震分析與應(yīng)力計算。

3.2?做好閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用

閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)是MSIV重要組成部分，MSIV的各項(xiàng)功能需要通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。所以，執(zhí)行機(jī)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(jìn)行考慮：

一是要考慮執(zhí)行機(jī)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(shí)現(xiàn)密封效果。

二是要考慮執(zhí)行機(jī)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?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，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(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(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的配套研發(fā)?？刂葡到y(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(yàn)，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。

3.4主蒸汽管道振動的治理措施

為了能夠找出主蒸汽管道發(fā)生振動的原因，主要的技術(shù)路線是通過改變主蒸汽管道的固有頻率，這樣就使得主蒸汽管道的固有頻率偏離激振力頻率，從而能夠避免主蒸汽管道發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)而降低主蒸汽管道振動幅度的目的。固有頻率主要和主蒸汽管道的剛度和質(zhì)量有關(guān)，如果要想使得管道避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，那么技術(shù)人員就需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整主蒸汽管道的質(zhì)量和剛度，從而使得固有頻率偏離激振力頻率。由于機(jī)組已經(jīng)投運(yùn)，主蒸汽管道的質(zhì)量不容易發(fā)生改變，那么只能通過調(diào)整主蒸汽管道的剛度來達(dá)到消除主蒸汽管道振動的目的。通常情況下，主蒸汽管道的剛度主要和管徑、壁厚、彎頭數(shù)量、支吊架狀況等因素有關(guān)，并且管徑、壁厚和彎頭數(shù)量并不容易進(jìn)行改變，那么在保證主蒸汽管道應(yīng)力滿足機(jī)組運(yùn)行的前提下，就可以通過增減減振裝置來調(diào)整主蒸汽管道的剛度。

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(jìn)口設(shè)備設(shè)計理念，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(jī)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(yàn)功能研究與設(shè)計[J].自動化儀表，2018（9）

[2]?李玉紅.主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)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（8）

[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].核動力工程，2018（3）

（作者單位：國家電力投資集團(tuán)通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司）