哲成阀门:核电站用阀门介绍
来源:沈阳阀门研究所 作者:张云龙 发布时间:2014-6-13 阅读:次
  

1  概述
  自从1939 年德国人哈恩Hahn 和施特拉斯曼Strassmann 在世界上首先发现了核裂变现象以来,核能技术的应用开始进入人类社会。1942 年美国在芝加哥建立了世界上第一座实验性反应堆。1954年第一座核电站在前苏联建成。此后, 英国、法国、加拿大、德国和日本等国家也相继迅速发展了自己的核能工业。据相关资料统计介绍, 全世界现有核电机组(包括在建的) 近500 座, 总的容量达40 万MW (4 亿kW) 以上。其中反应堆的堆型中一半以上是压水堆( PWR) , 其次为沸水堆(BWR) , 约占20 %。以下依次为重水堆(PHWR) ,约占10 %; 气冷堆( GCR) , 约占7 %; 石墨慢化轻水堆(LGR) 和快中子增殖堆( FBR) , 约各占3 %。而自从美国三哩岛和前苏联的切尔诺贝利核电站相继发生核泄漏事故之后, 核设施的安全性格外受到世界各国的广泛重视, 近10 多年来美国又不断开发了先进压水堆(APWR) 和先进沸水堆(ABWR) 等堆型, 以使核电站的安全性和经济性得到进一步完善和提高。
  
  我国在20 世纪50 年代开始了核动力技术的研究开发和应用, 并逐步在国防、科研和发电等领域取得了成功。特别是近20 多年来, 通过引进国外技术、管理和设备, 已建成和正在建设多座核电站。主要包括压水堆型的核电站, 如广东省大亚湾和岭奥、浙江秦山一期和二期、江苏田湾等, 采用重水堆型的秦山三期。我国在核能资源的利用上与国外发达国家相比, 还有很大的差距和潜力。特别在今后, 国家还将建造更多的核电工程来填补我国能源的不足, 百万kW 级的压水堆型应是主要方向, 同时正在创建的中国实验快堆和一些其他特殊
类型的反应堆型, 必将为我国今后核动力技术发展开拓新的途径。

2  重要作用
在核电站的设备中阀门虽然只是配件, 但是它的作用却不容忽视, 因为阀门对核电站的正常、安全和可靠运行具有极为重要的作用。由于在核电站内阀门的使用量大面广, 可以说几乎电站的每一个系统都离不了阀门, 以一座有两套百万kW级机组规模的压水堆型核电站为例, 阀门用量就需约3 万台。虽然阀门的投资额占核电站总投资额的2 %左右, 而每年电站花费在阀门上的维修费用却要占维修总额的一半以上。其中一些重要的阀门产品, 如主蒸汽隔离阀、稳压器安全阀和主蒸汽安全阀等也都属于核电站中的十分关键的设备。还有不少应用
在一回路系统各种核级阀门都直接关系到核电站的正常和安全运行, 同样不允许出现任何差错。根据国际原子能组织( IAEA) 核电站事故案例反映,因阀门故障和失效造成的停机或停堆事故, 甚至核泄漏占的比重不小, 因此必须引起阀门行业足够的重视。温州哲成自控阀门专业生产调节阀、控制阀、切断阀及各类通用阀门。

3  技术要求
与常规的大型火力发电站用阀门相比较, 虽然在压力和温度等参数上压水堆型的核电站阀门较低些, 但核电站用阀门却有更高的技术特点和要求。
311  强度和刚度在设计上首先应考虑阀门的主要部件能承受持久的或瞬时的压力和温度交变下的各种载荷的作用力, 而不应出现明显的弹塑性变形。除常规的强度计算外还应采用有限元应力分析和抗震计算分析等方法来确保阀门产品的可靠性。

312 密封性
由于核反应堆的一回路系统的输送介质大多带有放射性, 因此不允许有任何外泄漏发生, 必须在阀门的结构设计、密封件(波纹管、膜片、填料和垫片等) 的选用、材料和成品的质量检测控制等方面, 采取严格有效的措施来保证。阀体与管道的连接也大多采用对接或承插焊接。

313 使用寿命
由于核电站建设的投资大, 成本回收期长, 如停工一天造成的经济损失约合人民币上千万元。因此阀门符合设计规范, 以尽量减少维修次数和缩短维修周期。一般规定要求使用寿期为30~40 年,为此应按照给定的概率, 来验证阀门具备完成规定工作循环的能力。

314 清洁度
核反应堆一回路系统内输送的介质为高纯度的硼化水, 因此对与介质接触的相关部件不仅要有清洁度要求, 而且内腔各接触介质的零部件表面要光滑, 金属表面粗糙度Ra < 613μm。所有与阀门接触的人体、物体、装备工具和介质等都必须符合相关清洁规程的要求。

315 安全可靠性
阀门需要在各种设计工况(包括正常、异常、危急和事故) 下的可靠使用, 甚至在遭受地震灾害或LOCA 失水事故等情况下都能保持阀门设备的完整性和可操作性。因此样机必须经受各种模拟工况的试验考核来证实。

316 材料性能
选用的材料必须具有良好的耐蚀性、抗辐照、抗冲击和抗晶间腐蚀, 因此在一些主系统中均采用低碳甚至超低碳奥氏体型不锈钢作主体材料, 并选用一些强度、韧性和耐温、耐压、抗冲蚀, 抗擦伤等性能优越的合金材料来做阀杆或密封面等零件。应按要求进行各项理化性能和无损探伤检验。填料和垫片等非金属密封材料中的氯、氟和硫离子的含量都应严格控制, 各项数据都应低于规范规定的指标, 以保证对金属基体不造成腐蚀损伤。

317 控制装置
用于事故状态下工作的核电站阀门, 应对系统起到安全保护和事故应急处理的作用。对于这些阀门来说动作的及时和准确十分重要, 不论是及时而不准确或是准确而不及时都不能适应和满足保护核电站的需要。如主蒸汽隔离阀按要求打开的时间仅为几秒钟, 如果出现不及时或误动作都将导致严重的后果。因此, 阀门驱动装置的性能和质量非常重要和关键。
318 相关规范
从事核电站阀门设计和制造的人员, 必须首先熟悉并掌握国家颁发的一整套核安全法规和条例中的相关规定, 向主管部门和国家核安全局同时提出申请, 经上级有关方审查和核准后颁发相关活动的许可证后才可开展工作。在实践中要认真执行我国和国际上一些公认的法规和标准, 如核安全法规HAF、核安全导则HAD , 核行业标准EJ 、美国机械工程师学会标准ASME、美国电气与电子工程师学会标准IEEE 及法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则RCC - M等规范文件。企业标准必须以保证达到上述各种法规和规范为前提, 以确保生产的
核级产品符合公认的规定要求。

319 质量控制
核电站阀门的生产企业必须建立完善的质量保证体系, 编制相应的质保大纲和控制质量的相关程序和文件。在日常活动中严格认真地按照大纲、程序和文件要求办事, 每一步骤都做到有章可依, 有据可查, 并接受国家核安全局和相关方对活动的随时监督和检查。出现重大质量情况或不附合项时活动方无权私自处理, 必须报请相关方审议确定。温州哲成自控阀门专业生产调节阀、控制阀、切断阀及各类通用阀门。

3110 文档资料
产品从立项开始直至出厂验收为止, 应建立完整的档案, 包括技术规格书、设计图纸、计算书(包括应力和抗震分析等) 、工艺规范、关键工艺评定、质量计划、跟踪记录、各种材料理化性能和无损检测报告、功能性试验报告、使用维修手册和制造完工报告等各种文件资料提供归档。


4  基本情况
  一座由两套百万kW级机组装备的压水堆型核电站是比较常见的合理配置, 其组成为核岛NI(Nuclear Island) 、常规岛CI(Conventional Island) 和电站辅助设施BOP (Balance of Plant) 3 部分, 而其中核岛NI 又包括核蒸汽供应系统NSSS (Nuclear
Steam Supply System) 和核岛辅助设施BNI (Balance of Nuclear Island) 2 部分。NI 是核电站的核心, 在这里把核能转变为热能, 生产出大量的蒸汽去提供发电。CI 是核电站的主力, 在这里把热能转化为电能(包括汽轮发电直到电源输出的全过程) 。BOP
虽然不是主角, 但如同设备上的螺丝钉, 同样不可缺少。在近3 万台的阀门中这3 部分的使用数量配置比例大约为NI 4315 %、CI 45 % , BOP 1115 %。
  由此可见, CI 用阀量较多, 与相同等级的火电机组阀门作比较, 其特点是口径规格较大, 而压力和温度参数不算太高。因此从技术角度来看难度相对要低于NI 用阀, BOP 用阀不仅量少, 而且技术难度更低一些。本文只对NI 部分阀门的一些情况作扼要的介绍和分析。
411  NI 用阀门的分类和主要参数NI 用阀门按阀的类型区分主要有闸阀截止阀止回阀球阀蝶阀、隔膜阀、安全阀、减压
阀、疏水阀和调节(控制) 阀等。按使用数量占总量的比例排序依次为截止阀约3316 % , 隔膜阀约2612 % , 球阀约1218 % , 止回阀约712 % , 蝶阀约517 % , 闸阀约510 % , 调节(控制) 阀约315 % ,安全阀约215 % , 疏水阀约013 % , 减压阀约012 % , 其他阀门约3 %。而按核安全(规范) 等级来分阀门又可分为核1、2 及3 级和非核级, 占NI 阀门总数的份额分别约为213 %、30 %、22 %和4517 %。

阀门有代表性最高技术参数为
最大口径 核3 级的蝶阀 1 200mm
核2 级的主蒸汽隔离阀 800mm
核1 级的主回路闸阀 350mm
最高压力 约1 500 磅级
最高温度 约350 ℃
介 质 冷却剂(硼化水) 等

412  NI 用阀门结构
核电站NI 用阀门约113 万台, 品种规格繁多。
本文主要介绍核安全(规范) 1、2 级中的几种典型阀门结构。
①闸阀 核级闸阀(图1、2) 主要有4 种结构, 楔式弹性单闸板闸阀、楔式双闸板闸阀、带弹簧预紧的平行式双闸板闸阀和带顶块撑开的平行式双闸板闸阀。NI 中闸阀的口径DN 一般都在80mm以上, 核1 级闸阀阀体必须采用锻件, 只有核2 ,3 级的闸阀阀体才允许用铸件, 但由于铸件质量不易控制和保证, 因此往往还是采用锻件。为防止介质外泄漏, 通常闸阀都采用双层填料带引漏管, 并设有碟簧预紧装置来防止填料松动。采用的驱动方式有手动和电动两种, 用作电动闸阀的电传动装置应考虑电机的转动惯性对关闭力的影响, 最好采用
带制动功能的电机, 以防过载。阀体与阀盖的连接有法兰螺栓和压力自封盖2 种形式, 但法兰螺栓连接应用更为普遍, 因为这种结构有利于加一道唇边密封焊, 密封更为可靠。
4 种闸阀结构不同, 性能也不同。楔式弹性单闸板闸阀具有密封副结构简单, 坚固可靠的特点, 但制造上要求闸板与阀体的密封面配合角度误差要求严格, 在主回路系统用得较多。楔式双闸板闸阀结构是火力电站惯用的结构形式, 由于楔形双板角度可自行调节, 密封较为可
靠, 维修也较方便。带弹簧预紧的平行式双闸板闸阀具有闸板在关闭时载荷不会陡增的优点, 但同时会带来弹簧力使闸板在启闭时始终不脱开阀座, 密封面相对磨损要大, 同时闸板密封副零件多, 组装不便。带顶块撑开的平行式双闸板闸阀采用的是靠顶块使两闸板沿斜面错开的方法来使闸阀关紧, 密封比较可靠, 但也存在闸板密封副零件多的问题。温州哲成自控阀门专业生产调节阀、控制阀、切断阀及各类通用阀门。
  除了上述的4 种结构外, 还有2 种无填料函的闸阀。一种是国外报道过的液压驱动的闸阀, 借助自身压力水推动活塞开启或关闭阀门。由于活塞通过阀杆直接与闸板相连, 因此没有填料密封, 可以避免外漏点。但活塞与缸体的密封较难做到一点不漏, 因此如何保持压力的稳定需在控制系统中采取措施。另一种是我国自行设计研制成功的全封闭型电动闸阀, 该阀采用了特制的屏闭式电机, 通过浸水工作的内行星减速机构使闸板作启闭运动, 由于采用了滚动丝杠副, 而且无填料, 因此减少了能耗, 并且对保证运行安全和简化维护保养都有良好
的效果。这2 种闸阀存在的缺点是结构较复杂, 造价较高。



 

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