新型核電工程儀表管閥件設計與材質選型研究

梁超佳,李忠意,王 源,王洪濤,熊國華

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

在以往的核電工程中，關于儀表管閥件的設計選型及連接原則并無明確說明。核電儀控設計人員在新型堆型的儀表管閥件設計過程中，只能參考在運核電廠的儀表管線安裝圖或咨詢有經(jīng)驗的核電設計工程師，進行參照式設計。儀表管閥件類型繁多，容易造成新堆型設計過程中的選型錯誤，增加采購成本及現(xiàn)場增補周期，影響設計及施工進度。隨著三代核電工程的發(fā)展，更多先進核電工程具有改進的新系統(tǒng)功能，需要對儀表管閥件設計和材質選型進行研究，并優(yōu)化管閥件規(guī)格，從而為后續(xù)核電儀表管閥件設計提供支撐。

通過借鑒二代、三代核電工程的設計經(jīng)驗，并考慮海邊鹽霧環(huán)境對儀表管閥件的影響，對新型核電工程儀表管閥件設計原則和材質選型進行研究。

1 新型核電工程儀表管閥件設計原則

1.1 儀表管閥件設計范圍及功能介紹

儀表典型安裝圖如圖1所示。在儀表測量回路中，主要包含儀表管、管件、儀表閥及測量儀表。這些管閥件作為實現(xiàn)儀表測量功能的保障，其設計及安裝質量直接影響儀表測量功能。圖1中：1PL21、1PL11為儀表管；1RL49、1UL07、1TL12、1UL29、1UL20、1CL12為管件；1ML22為儀表閥；I135為測量儀表。

圖1 儀表典型安裝圖

1.2 儀表管閥件等級設計原則

1.2.1 機械等級和質保等級

核電廠在正常運行、事故和災害過程中的安全是依靠構筑物、系統(tǒng)和部件執(zhí)行安全功能來實現(xiàn)的。為了確保儀表功能在相應的運行、事故、災害期間不被破壞，需要對儀表管閥件進行機械等級和質量保證等級(簡稱“質保等級”)劃分，以確保安全功能。分級目的是確保物項的設計、制造、建造、調試和運行有適宜要求，以確保物項在所有預期的運行工況下有質量保證。這會導致以往核電廠對管閥件的機械等級劃分和質保等級劃分十分復雜。在新型核電工程中，需要對儀表管閥件的機械等級和質保等級劃分進行研究，以實現(xiàn)管閥件優(yōu)化設計。

新型核電工程管閥件機械等級設計可參考IAEA SSG-30[1]，質保等級設計參考HAF J0045《質量保證分級手冊》[2]。儀表管閥件的機械等級需綜合考慮儀表連接的工藝管道、工藝設備的屏障等級以及儀表的功能物項等級來確定。新型核電工程的儀表管閥件等級設計如圖2所示。

由圖2可知，在優(yōu)化管閥件規(guī)格基礎上，新型核電工程儀表管閥件機械等級劃分為ASME-2、ASME-3、NC級，質保等級劃分為Q1、Q3、QNC。管閥件等級規(guī)格組合有4種，分別為ASME-2/Q1、ASME-3/Q3、NC/Q3、NC/QNC。出于優(yōu)化管閥件規(guī)格的目的，統(tǒng)一將質保等級為Q2的管閥件設計為Q1。

圖2 儀表管閥件等級設計

①工藝屏障等級為B-SC1/B-SC2或執(zhí)行安全功能的儀表，其管閥件等級規(guī)定為ASME-2/Q1。

②工藝屏障等級為B-SC3、儀表功能物項為F-SC3/NC，其管閥件等級規(guī)定為ASME-3/Q3。

③工藝無屏障要求、儀表功能物項為F-SC3，其管閥件等級規(guī)定為NC/Q3。

④工藝無屏障要求、儀表不執(zhí)行安全功能，其管閥件等級規(guī)定為NC/QNC。

1.2.2 抗震要求

為了確保核電廠系統(tǒng)、設備、部件在運行時安全功能可用，或不影響其他安全設備執(zhí)行安全功能，需對設備提出抗震要求。新型核電工程儀表管道抗震要求如表1所示。抗震等級設計同樣需綜合考慮工藝屏障等級及儀表(或系統(tǒng))執(zhí)行的安全功能等級來確定。

表1 抗震要求

①執(zhí)行安全功能的儀表及嚴重事故下仍需保證測量功能的儀表，儀表管線必須滿足抗震I類要求。

②安全功能為FC3/NC的儀表，若工藝管道屏障等級為B-SC1/B-SC2，則此類工藝管道具有抗震要求。為了防止該類儀表管道對有抗震要求的設備造成不可接受的影響，儀表管道必須滿足抗震II類要求。其他屏障要求不作抗震要求。

③消防系統(tǒng)儀表由于需要在火災/災害工況下仍保持可用，應滿足抗震I類要求。

1.2.3 特殊情況分析

針對具有重要功能的非安全級儀表，可考慮對該類儀表管閥件等級進行特殊分析。

①涉及重要控制的儀表，及影響一回路冷卻劑裝量的系統(tǒng)儀表。管閥件等級確定為：ASME-2，Q1，抗震I類。

②有保證安全功能，或影響其他安全設備執(zhí)行安全功能的儀表。管閥件等級確定為：ASME-2，Q1，抗震I類。

③為了保證工藝邊界完整性，工藝管道/設備內為放射性介質。管閥件等級確定為：ASME-2，Q1，抗震II類。

2 新型核電工程儀表管規(guī)格及連接方式優(yōu)化

2.1 儀表管規(guī)格優(yōu)化方案

2.1.1 現(xiàn)有核電廠儀表管規(guī)格分析

二代核電工程中儀表管設計思路為：儀表閥前分別有3/8″Tube管和1/4″Pipe管這2種規(guī)格的儀表管，儀表閥后為1/4″Tube管。而三代核電工程中儀表管均統(tǒng)一使用Tube管，有1/4″、3/8″、1/2″等多種規(guī)格。

由于儀表管規(guī)格參數(shù)不統(tǒng)一，導致儀表管接頭繁多，容易造成設計選型錯誤，增加采購周期，影響施工進度[3]。

2.1.2新型核電工程儀表管規(guī)格優(yōu)化

在借鑒二代核電及三代核電工程設計的基礎上，進行核電工程儀表管規(guī)格優(yōu)化設計。優(yōu)化方案為：對于儀表管內介質為液體的情況，儀表閥前儀表管采用3/8″Tube管，儀表閥后儀表管采用1/4″Tube管。對于儀表管內介質為氣體的情況，儀表管采用銅管或3/8″Tube管。儀表管規(guī)格如表2所示。

表2 儀表管規(guī)格

表2中，介質為氣體的系統(tǒng)指通風系統(tǒng)和氣體供應系統(tǒng)。

與Pipe管相比，Tube管具有易彎曲成形的特點，能省去彎頭管件。考慮到新型核電工程功能設計趨于簡化、空間設計趨于小型化，宜采用易于彎曲成形的Tube管作為儀表管。統(tǒng)一使用Tube管，連接方式只需考慮焊接和套卡連接兩種形式，能省去螺紋連接形式，優(yōu)化管閥件連接形式。通過優(yōu)化儀表管規(guī)格，可達到簡化管閥件的目的，使管閥件設計更加標準化。

2.2 管閥件連接方式確定

在統(tǒng)一儀表管規(guī)格為Tube管的基礎上，對儀表管閥件連接方式進行確定。基于核電放射性包容要求，針對介質有放射性的工藝管道或工藝設備，或儀表安裝于安全殼內、儀表管作為放射性包容的延伸管段，同樣需要考慮可能的放射性外泄。對于儀表閥前的管閥件連接宜采用焊接形式，有效防止放射性介質外泄，其他安全殼外且無放射性介質的地方均采用卡套連接方式，從而達到簡化核電儀表管閥件連接方式的目的。管閥件連接方式如表3所示。

表3 管閥件連接方式

3 新型核電工程儀表管閥件材質選型分析

在以往核電工程中，儀表管閥件主要的材質有不銹鋼SS、碳鋼CS、黃銅BR。核蒸汽供應系統(tǒng)(nuclear steam supply system,NSSS)中材質均選用不銹鋼SS。核島配套設施系統(tǒng)(balance of nuclear island,BNI)中材質選用不銹鋼SS及碳鋼CS。通風系統(tǒng)中，上述3種材質均有選用[4]。

新型核電工程對設備及儀表管閥件有新的耐腐蝕要求，需要考慮造成儀表管閥件腐蝕的因素。經(jīng)過分析，主要腐蝕因素如下。

①海洋大氣鹽霧環(huán)境對管閥件外表面的腐蝕。在海邊的核電廠受到海洋環(huán)境的影響，長期暴露在鹽霧環(huán)境下，主要遭受電化學腐蝕，即腐蝕管道中的金屬Fe元素。

②海水對儀表管內表面的腐蝕。此種腐蝕主要針對管道中介質是海水的情況。與海水的直接接觸，可分為靜態(tài)海水接觸和流動海水接觸，可造成電化學腐蝕和沖刷腐蝕。與海水直接接觸的冷源系統(tǒng)和應急情況下需使用海水的系統(tǒng)，其管道材質均需考慮海水帶來的腐蝕作用。工藝管道應考慮流動海水腐蝕，而儀表管應考慮靜態(tài)海水腐蝕。

目前，防腐蝕方法主要有以下4種[5-6]。

①選擇耐腐蝕的材質。合理選擇耐鹽霧腐蝕或耐海水腐蝕的金屬材質，例如不銹鋼、銅鎳合金、雙相不銹鋼、鈦合金等。這些金屬材質均具有良好的抗腐蝕性能。

②金屬表面覆蓋保護層。通過噴、涂、鍍、襯等方法，使被保護金屬表面形成一層完整、致密的保護層，將金屬與外界腐蝕環(huán)境隔離開，從而有效防止腐蝕。

③電化學保護。電化學保護主要有陰極保護和陽極保護。對金屬進行外加陰極極化，可以降低金屬管路的腐蝕速度，或使金屬表面鈍化，形成一層氧化膜，對金屬進行保護。

④電絕緣隔離。在不同種金屬連接的場合，易發(fā)生兩種金屬間的腐蝕，所以同一儀表的儀表管需統(tǒng)一材質，禁止出現(xiàn)兩種不同金屬材質相互連接的情況。

考慮到儀表管均為小管徑且管壁薄，不方便進行噴涂處理和電化學保護處理，所以需要從材質選型方面著手，選擇耐腐蝕的金屬材質。通過相關金屬耐海洋環(huán)境腐蝕研究，管道金屬材質推薦使用304L不銹鋼、316L不銹鋼、紫銅管、銅鎳合金、雙相不銹鋼和鈦合金等。

不同金屬材質在靜態(tài)海水中的腐蝕速度[7]如表4所示。表4中選取了常用金屬。

表4 不同金屬材質在靜態(tài)海水中的腐蝕速度

從表4可看出，不銹鋼材質對靜態(tài)海水的耐腐蝕性能好，可用于與海水接觸的儀表管。

綜合核電工程應用經(jīng)驗及金屬耐海洋環(huán)境腐蝕研究，考慮簡化設計及降低工程成本，推薦不銹鋼作為儀表管材質首選。新型核電工程儀表管閥件的推薦材質選型如表5所示。

表5 推薦材質選型

對于長期暴露在廠房外的儀表，考慮到鹽霧環(huán)境影響，推薦使用316L不銹鋼或雙相不銹鋼作為儀表管閥件材質。

4 結論

核電工程儀表管閥件規(guī)格種類繁多，且分級復雜多樣。本文通過優(yōu)化儀表管閥件規(guī)格型號并給出設計原則,統(tǒng)一材質,達到提高新型核電工程設計效率、縮短現(xiàn)場設計施工進度的目的。針對海洋大氣鹽霧環(huán)境，對管閥件材質進行耐腐蝕性分析，推薦使用耐腐蝕性能良好的不銹鋼作為儀表管閥件材質。這在一定程度上提高了儀表管閥件使用壽命，滿足了核電工程對儀表管閥件可用性、安全性、完整性方面的要求，并保證了儀表測量功能的實現(xiàn)。