導(dǎo) 言

     在核電站的設(shè)備中，閥門雖然只是配件，但是它的作用卻不容忽視，因?yàn)殚y門對(duì)核電站的正常、安全和可靠運(yùn)行具有極為重要的作用。由于在核電站內(nèi)閥門的使用量大面廣，可以說(shuō)幾乎電站的每一個(gè)系統(tǒng)都離不了閥門，以一座有兩套百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組規(guī)模的壓水堆型核電站為例，閥門用量就需約3萬(wàn)臺(tái)。雖然閥門的投資額占核電站總投資額的2%左右，而每年電站花費(fèi)在閥門上的維修費(fèi)用卻要占維修總額的一半以上。其中一些重要的閥門產(chǎn)品，如主蒸汽隔離閥、穩(wěn)壓器安全閥和主蒸汽安全閥等也都是核電站中的十分關(guān)鍵的設(shè)備。還有不少應(yīng)用在一回路系統(tǒng)各種核級(jí)閥門都直接關(guān)系到核電站的正常和安全運(yùn)行，同樣不允許出現(xiàn)任何差錯(cuò)。根據(jù)國(guó)際原子能組織(IAEA)核電站事故案例反映，因閥門故障和失效造成的停機(jī)或停堆事故，甚至核泄漏占的比重不小，因此必須引起閥門行業(yè)足夠的重視。

      1、核電閥門的定義

     核電閥門是指在核電站中核島NI、常規(guī)島CI和電站輔助設(shè)施BOP系統(tǒng)中使用的閥門。從安全級(jí)別上分為核安全Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、非核級(jí)。其中核安全Ⅰ級(jí)要求最高。核電閥門在核電站中是使用數(shù)量較多的介質(zhì)輸送控制設(shè)備，是核電站安全運(yùn)行中的必不可少的重要組成部分。

      2、閥門在核電站中的重要性

     在核電站的設(shè)備中閥門雖然只是配件，但是它的作用卻不容忽視，因?yàn)殚y門對(duì)核電站的正常、安全和可靠運(yùn)行具有極為重要的作用。由于在核電站內(nèi)閥門的使用量大面廣，可以說(shuō)幾乎電站的每一個(gè)系統(tǒng)都離不了閥門，以一座有兩套百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組規(guī)模的壓水堆型核電站為例，閥門用量就需約3萬(wàn)臺(tái)。雖然閥門的投資額占核電站總投資額的2%左右，而每年電站花費(fèi)在閥門上的維修費(fèi)用卻要占維修總額的一半以上。其中一些重要的閥門產(chǎn)品，如主蒸汽隔離閥、穩(wěn)壓器安全閥和主蒸汽安全閥等也都屬于核電站中的十分關(guān)鍵的設(shè)備。還有不少應(yīng)用在一回路系統(tǒng)各種核級(jí)閥門都直接關(guān)系到核電站的正常和安全運(yùn)行，同樣不允許出現(xiàn)任何差錯(cuò)。根據(jù)國(guó)際原子能組織(IAEA)核電站事故案例反映，因閥門故障和失效造成的停機(jī)或停堆事故，甚至核泄漏占的比重不小，因此必須引起閥門行業(yè)足夠的重視。

3、技術(shù)要求

     與常規(guī)的大型火力發(fā)電站用閥門相比較，雖然在壓力和溫度 等參數(shù)上壓水堆型的核電站閥門較低些，但核電站用閥門卻有更高的技術(shù)特點(diǎn)和要求。

3.1 強(qiáng)度和剛度

     在設(shè)計(jì)上首先應(yīng)考慮閥門的主要部件能承受持久的或瞬時(shí)的壓力和溫度交變下的各種載荷的作用力，而不應(yīng)出現(xiàn)明顯的彈塑性變形。除常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算外還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗震計(jì)算分析等方法來(lái)確保閥門產(chǎn)品的可靠性。

3.2 密封性

     由于核反應(yīng)堆的一回路系統(tǒng)的輸送介質(zhì)大多帶有放射性，因此不允許有任何外泄漏發(fā)生，必須在閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封件(波紋管、膜片、填料和墊片等)的選用、材料和成品的質(zhì)量檢測(cè)控制等方面，采取嚴(yán)格有效的措施來(lái)保證。閥體與管道的連接也大多采用對(duì)接或承插焊接。

3.3 使用壽命

     由于核電站建設(shè)的投資大，成本回收期長(zhǎng)，如停工一天造成的經(jīng)濟(jì)損失約合人民幣上千萬(wàn)元。因此閥門符合設(shè)計(jì)規(guī)范，以盡量減少維修次數(shù)和縮短維修周期。一般規(guī)定要求使用壽期為30~40年。為此，應(yīng)按照給定的概率，來(lái)驗(yàn)證閥門具備完成規(guī)定工作循環(huán)的能力。

3.4 清潔度

     核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)內(nèi)輸送的介質(zhì)為高純度的硼化水，因此對(duì)與介質(zhì)接觸的相關(guān)部件不僅要有清潔度要求，而且內(nèi)腔各接觸介質(zhì)的零部件表面要光滑，金屬表面粗糙度Ra<6.3μm。所有與閥門接觸的人體、物體、裝備工具和介質(zhì)等都必須符合相關(guān)清潔規(guī)程的要求。

3.5 安全可靠性

     閥門需要在各種設(shè)計(jì)工況(包括正常、異常、危急和事故)下可靠的使用，甚至在遭受地震災(zāi)害或LOCA失水事故等情況下都能保持閥門設(shè)備的完整性和可操作性。因此樣機(jī)必須經(jīng)受各種模擬工況的試驗(yàn)檢驗(yàn)。

3.6 材料性能

     選用的材料必須具有良好的耐蝕性、抗輻照、抗沖擊和抗晶間腐蝕，因此在一些主系統(tǒng)中均采用低碳甚至超低碳奧氏體型不銹鋼作主體材料，并選用一些強(qiáng)度、韌性和耐溫、耐壓、抗沖蝕，抗擦傷等性能優(yōu)越的合金材料來(lái)做閥桿或密封面等零件。應(yīng)按要求進(jìn)行各項(xiàng)理化性能和無(wú)損探傷檢驗(yàn)。填料和墊片等非金屬密封材料中的氯、氟和硫離子的含量都應(yīng)嚴(yán)格控制，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都應(yīng)低于規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)，以保證對(duì)金屬基體不造成腐蝕損傷。

3.7 控制裝置

     用于事故狀態(tài)下工作的核電站閥門，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)起到安全保護(hù)和事故應(yīng)急處理的作用。對(duì)于這些閥門來(lái)說(shuō)動(dòng)作的及時(shí)和準(zhǔn)確十分重要，不論是及時(shí)而不準(zhǔn)確或是準(zhǔn)確而不及時(shí)都不能滿足保護(hù)核電站的需要。如主蒸汽隔離閥按要求打開的時(shí)間僅為幾秒鐘，如果動(dòng)作不及時(shí)或誤動(dòng)作都將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，閥門驅(qū)動(dòng)裝置的性能和質(zhì)量非常重要和關(guān)鍵。

3.8 相關(guān)規(guī)范

     從事核電站閥門設(shè)計(jì)和制造的人員，必須首先熟悉并掌握國(guó)家頒發(fā)的一整套核安全法規(guī)和條例中的相關(guān)規(guī)定，向主管部門和國(guó)家核安全局同時(shí)提出申請(qǐng)，經(jīng)上級(jí)有關(guān)方審查和核準(zhǔn)后頒發(fā)相關(guān)活動(dòng)的許可證后才可開展工作。在實(shí)踐中要認(rèn)真執(zhí)行我國(guó)和國(guó)際上一些公認(rèn)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，如核安全法規(guī)HAF、核安全導(dǎo)則HAD，核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASME、美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE及法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則RCC~M等規(guī)范文件。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)必須以保證達(dá)到上述各種法規(guī)和規(guī)范為前提，以確保生產(chǎn)的核級(jí)產(chǎn)品符合公認(rèn)的規(guī)定要求。

3.9 質(zhì)量控制

     核電站閥門的生產(chǎn)企業(yè)必須建立完善的質(zhì)量保證體系，編制相應(yīng)的質(zhì)保大綱和控制質(zhì)量的相關(guān)程序和文件。在日常活動(dòng)中嚴(yán)格認(rèn)真地按照大綱、程序和文件要求辦事，每一步驟都做到有章可依，有據(jù)可查，并接受國(guó)家核安全局和相關(guān)方對(duì)活動(dòng)的隨時(shí)監(jiān)督和檢查。出現(xiàn)重大質(zhì)量情況或不符合項(xiàng)時(shí)活動(dòng)方無(wú)權(quán)私自處理，必須報(bào)請(qǐng)相關(guān)方審議確定。

3.10 文檔資料

     產(chǎn)品從立項(xiàng)開始到出廠驗(yàn)收過(guò)程，應(yīng)建立完整的檔案，包括技術(shù)規(guī)格書、設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算書(包括應(yīng)力和抗震分析等)、工藝規(guī)范、關(guān)鍵工藝評(píng)定、質(zhì)量計(jì)劃、跟蹤記錄、各種材料理化性能和無(wú)損檢測(cè)報(bào)告、功能性試驗(yàn)報(bào)告、使用維修手冊(cè)和制造完工報(bào)告等各種文件資料提供歸檔。

3.11 核電站一回路閥門的特殊要求

     由于一回路的介質(zhì)，技術(shù)參數(shù)、環(huán)境條件對(duì)閥門的安全可靠性要求等均不同于常規(guī)電站，因此除了一般要求外，還有如下特殊要求：

1）抗輻照要求

     核電站閥門輻照累劑量為1200000GY，因此閥門選用的材料除了滿足工作介質(zhì)外，還應(yīng)耐輻照，即材料受輻照后其使用性能不改變；不活化，即材料的半衰期要短，半衰期長(zhǎng)的材料如銅、鈷等盡量少用，甚至不用。國(guó)外準(zhǔn)備用鎳基合金，目前我國(guó)也準(zhǔn)備使用。

2）密封要求

     由于介質(zhì)是帶有放射性的含硼水，因此要求閥門密封性好，無(wú)外漏，法蘭密封應(yīng)安全可靠，為了保證閥桿無(wú)外漏，結(jié)構(gòu)上應(yīng)采用波紋管和中間引漏。為了便于清洗要求閥門內(nèi)外表面有一定的表面粗糙度，閥體內(nèi)應(yīng)盡量避免死角，防止沉積放射性顆粒。

3）填料、墊片要求

     由于一回路的水質(zhì)要求，不銹鋼設(shè)備的要求。特別是薄壁設(shè)備如燃料元件包殼，蒸發(fā)管子、波紋管，被氯離子破壞的水質(zhì)會(huì)引起不銹鋼設(shè)備的點(diǎn)腐蝕。因此要求閥門選用的填料，墊片的氯離子含量應(yīng)小于100ppm，且不含有鹵素。

4）禁用材料

     由于事故而產(chǎn)生的安全殼內(nèi)安全噴淋液中有NaOH和硼，因此閥門一般嚴(yán)禁使用鋁和鋅或鍍鋅，如果要用必須征得總體設(shè)計(jì)的同意。閥門不得選用低熔點(diǎn)材料如錫、鉛等，與介質(zhì)接觸的表面禁電鍍和氮化。

5）LOCA要求

     裝于安全殼內(nèi)的閥門應(yīng)滿足LOCA要求，即在失水事故狀態(tài)下閥門仍能動(dòng)作，這就要求閥門選用的電動(dòng)裝置、儀器、儀表及其他附件，均應(yīng)通過(guò)LOCA試驗(yàn)。

6）結(jié)構(gòu)要求

     由于閥門的介質(zhì)具有放射性，所處的環(huán)境又有一定的輻照劑量，因此要求拆裝維修閥門的速度要快，故要求閥門有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆維修容易等特點(diǎn)。

     閥體流道設(shè)計(jì)應(yīng)流暢，盡量減少或避免產(chǎn)生死角。表面光潔平滑，便于清洗，沖洗。

7）安全可靠的要求

     閥門在核電站運(yùn)行中，起著十分重要的作用，閥門性能的好壞，會(huì)直接影響到核電站的安全，因此核電站要求閥門的性能必須安全可靠。為了達(dá)到這一目的，要求制造廠在為核電站正式提供產(chǎn)品前，必須選擇典型的具有代表性的閥門做樣機(jī)。樣機(jī)必須經(jīng)受一系列的型式試驗(yàn)，如冷態(tài)性能試驗(yàn)、熱態(tài)模擬工況試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、地震試驗(yàn)、LOCA試驗(yàn)等，以驗(yàn)證閥門性能的安全可靠性。

8）抗震要求

     核電站要求核級(jí)閥門在電站遭受地震期間或地震后，閥門能繼續(xù)保持閥門結(jié)構(gòu)和承壓邊界的完整性，及良好的工作特性。

4、核電閥門分類介紹

     一座由兩套百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組裝備的壓水堆型核電站是比較常見的合理配置，其組成為核島NI(Nuclear Island)、常規(guī)島CI(Conventional Island)和電站輔助設(shè)施BOP(Balance of Plant)三部分，而其中核島NI又包括核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)NSSS(Nuclear Steam Supply System)和核島輔助設(shè)施BNI(Balance of Nuclear Island)兩部分。NI是核電站的核心，在這里把核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽a(chǎn)出大量的蒸汽去提供發(fā)電。CI是核電站的主力，在這里把熱能轉(zhuǎn)化為電能(包括汽輪發(fā)電直到電源輸出的全過(guò)程)。BOP雖然不是主角，但如同設(shè)備上的螺絲釘，同樣不可缺少。在近3萬(wàn)臺(tái)的閥門中這三部分的使用數(shù)量配置比例大約為NI 43.5%、CI 45%，BOP 11.5%。由此可見，CI用閥量較多，與相同等級(jí)的火電機(jī)組閥門作比較，其特點(diǎn)是口徑規(guī)格較大，而壓力和溫度參數(shù)不算太高。因此從技術(shù)角度來(lái)看難度相對(duì)要低于NI用閥，BOP用閥不僅量少，而且技術(shù)難度更低一些。本節(jié)只對(duì)NI部分閥門的一些情況作扼要的介紹和分析。