導 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，因為閥門對核電站的正常、安全和可靠運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，可以說幾乎電站的每一個系統(tǒng)都離不了閥門，以一座有兩套百萬千瓦級機組規(guī)模的壓水堆型核電站為例，閥門用量就需約3萬臺。雖然閥門的投資額占核電站總投資額的2%左右，而每年電站花費在閥門上的維修費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)各種核級閥門都直接關(guān)系到核電站的正常和安全運行，同樣不允許出現(xiàn)任何差錯。根據(jù)國際原子能組織(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。從安全級別上分為核安全Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、非核級。其中核安全Ⅰ級要求最高。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，因為閥門對核電站的正常、安全和可靠運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，可以說幾乎電站的每一個系統(tǒng)都離不了閥門，以一座有兩套百萬千瓦級機組規(guī)模的壓水堆型核電站為例，閥門用量就需約3萬臺。雖然閥門的投資額占核電站總投資額的2%左右，而每年電站花費在閥門上的維修費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)各種核級閥門都直接關(guān)系到核電站的正常和安全運行，同樣不允許出現(xiàn)任何差錯。根據(jù)國際原子能組織(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)特點和要求。

3.1 強度和剛度

     在設(shè)計上首先應(yīng)考慮閥門的主要部件能承受持久的或瞬時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)的強度計算外還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗震計算分析等方法來確保閥門產(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、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)量檢測控制等方面，采取嚴格有效的措施來保證。閥體與管道的連接也大多采用對接或承插焊接。

3.3 使用壽命

     由于核電站建設(shè)的投資大，成本回收期長，如停工一天造成的經(jīng)濟損失約合人民幣上千萬元。因此閥門符合設(shè)計規(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，來驗證閥門具備完成規(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。因此樣機必須經(jīng)受各種模擬工況的試驗檢驗。

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)越的合金材料來做閥桿或密封面等零件。應(yīng)按要求進行各項理化性能和無損探傷檢驗。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)嚴格控制，各項數(shù)據(jù)都應(yīng)低于規(guī)范規(guī)定的指標，以保證對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)對系統(tǒng)起到安全保護和事故應(yīng)急處理的作用。對于這些閥門來說動作的及時和準確十分重要，不論是及時而不準確或是準確而不及時都不能滿足保護核電站的需要。如主蒸汽隔離閥按要求打開的時間僅為幾秒鐘，如果動作不及時或誤動作都將導致嚴重的后果。因此，閥門驅(qū)動裝置的性能和質(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)計和制造的人員，必須首先熟悉并掌握國家頒發(fā)的一整套核安全法規(guī)和條例中的相關(guān)規(guī)定，向主管部門和國家核安全局同時提出申請，經(jīng)上級有關(guān)方審查和核準后頒發(fā)相關(guān)活動的許可證后才可開展工作。在實踐中要認真執(zhí)行我國和國際上一些公認的法規(guī)和標準，如核安全法規(guī)HAF、核安全導則HAD，核行業(yè)標準EJ、美國機械工程師學會標準ASME、美國電氣與電子工程師學會標準IEEE及法國壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則RCC~M等規(guī)范文件。企業(yè)標準必須以保證達到上述各種法規(guī)和規(guī)范為前提，以確保生產(chǎn)的核級產(chǎn)品符合公認的規(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?；顒又袊栏裾J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，并接受國家核安全局和相關(guān)方對活動的隨時監(jiān)督和檢查。出現(xiàn)重大質(zhì)量情況或不符合項時活動方無權(quán)私自處理，必須報請相關(guān)方審議確定。

3.10 文檔資料

     產(chǎn)品從立項開始到出廠驗收過程，應(yīng)建立完整的檔案，包括技術(shù)規(guī)格書、設(shè)計圖紙、計算書(包括應(yīng)力和抗震分析等)、工藝規(guī)范、關(guān)鍵工藝評定、質(zhì)量計劃、跟蹤記錄、各種材料理化性能和無損檢測報告、功能性試驗報告、使用維修手冊和制造完工報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，半衰期長的材料如銅、鈷等盡量少用，甚至不用。國外準備用鎳基合金，目前我國也準備使用。

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，無外漏，法蘭密封應(yīng)安全可靠，為了保證閥桿無外漏，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)會引起不銹鋼設(shè)備的點腐蝕。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，因此閥門一般嚴禁使用鋁和鋅或鍍鋅，如果要用必須征得總體設(shè)計的同意。閥門不得選用低熔點材料如錫、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)下閥門仍能動作，這就要求閥門選用的電動裝置、儀器、儀表及其他附件，均應(yīng)通過LOCA試驗。

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)簡單，裝拆維修容易等特點。

     閥體流道設(shè)計應(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

     閥門在核電站運行中，起著十分重要的作用，閥門性能的好壞，會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。樣機必須經(jīng)受一系列的型式試驗，如冷態(tài)性能試驗、熱態(tài)模擬工況試驗、壽命試驗、地震試驗、LOCA試驗等，以驗證閥門性能的安全可靠性。

8）抗震要求

     核電站要求核級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

     一座由兩套百萬千瓦級機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?，生產(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3萬臺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，與相同等級的火電機組閥門作比較，其特點是口徑規(guī)格較大，而壓力和溫度參數(shù)不算太高。因此從技術(shù)角度來看難度相對要低于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NI部分閥門的一些情況作扼要的介紹和分析。