核级仪表阀是核电站中大范围使用的仪控设备, 常与变送器配套使用, 多用于压力、流量、液位测量, 可作为仪表管排污、排气、在役校验和设备更换时的切断阀, 防止放射性含硼水及其他有害气体泄漏到环境中。核级仪表阀既是切断阀, 又是承压设备, 必须具有较高技术要求和严格质保要求[1]。

现阶段已投入商业运行的核电厂中, 使用的高温、高压核级仪表阀多为国外进口产品, 仅有少量国产化。国内在建核电站中以三代压水堆“华龙一号”为代表, 其设计是根据福岛核事故经验反馈以及国内和全球最新安全要求, 同时也吸取了以往电站经验反馈的内容。

核级仪表阀依据RCC-M设计建造规则A4260节, 将第一道关闭阀下游侧的仪表管线 (其等级为2级和3级的承压设备) 规定为“小型设备”。管阀件遵循RCC-M E卷要求 (材料) 。仪表的根阀大部分处于常开状态, 无法作为承压边界。因此, RCC-M级仪表管阀件的安全等级均为核安全2、3级, 其设计、制造要求遵循RCC-M C、D篇。所有仪表管阀件均为抗震1I类。

常用的核级仪表阀可分为截止阀、球阀、三阀组截止阀、五阀组截止阀。根据密封方式的类别又可分为波纹管密封和填料密封。

核级仪表阀用于反应堆冷却剂或硼酸系统时, 该系统的设计压力为17.2MPa (a) , 设计温度不高于343℃。用于二回路系统时, 该设计压力为8.6MPa (a) , 设计温度不高于316℃。但部分特殊系统超过上述压力值, 最高26.5MPa。通常情况下仪表阀处可认为温度低于100℃。根据卡套的安装位置, 可认为温度低于250℃。因此, 参照上述环境条件, 大多管阀件不超过1500LB。

在华龙一号设计中, 考虑了当前核电站现场针对高温高压核级仪表阀的经验反馈。华龙一号新增应急硼注入系统, 设计压力为24MPa, 温度为60℃。某新建核电厂现场在执行柴油发电机和水压试验泵无密封注水带负荷起动和运行试验规程中, 根据运行规程要求启泵后, RIS011PO会短时憋压运行10min, 此时RIS011PO出口的实际压力将超过RIS041LP的最大量程25MPa, 无法实现RIS011PO出口压力的监测, 对仪表本身也可能造成损坏, 需要更换更大量程的压力表。RIS041LP仪表量程为0～25MPa, 为安装在RIS011PO泵出口处的就地压力表, 用来测量泵出口压力。

在核电站管阀件设计中, 核级仪表阀的磅级基本都不超过1500LB, 但对于1.2节中出现的经验反馈, 经过计算得出现场的实际要求1500LB是不满足要求的。因此, 依照经验反馈中的要求和现场条件, 需要设计一种满足高温高压, 磅级为2500LB的核级仪表阀。

设计技术要求如下:

1) 工艺参数:工作介质为反应堆冷却剂或硼酸系统, 设计压力为26.5MPa (a) , 设计温度不高于150℃。

2) 仪表阀为RCCM2级, 质保等级为QA2, 抗震类别为1Ⅰ类。

3) 制造要求:阀门和阀组的阀体应整体锻造。

4) 型式要求:阀门和阀组的手柄应便于操作, 阀组建议采用手柄扇形向上的形式;阀门和阀组应确保能够渐开以防止介质喷射;阀门和阀组应具有上密封结构, 波纹管密封形式除外。阀门和阀组本体上应有用于固定阀门的安装孔。

5) 仪表阀规格:SWAGE 3/8"×3/8"OD 2500LB。

6) 泄漏要求

◇关于外泄漏, 阀门应确保不会由阀杆、阀盖与阀体的密封垫处向环境产生任何泄漏。波纹管密封的阀门, 应进行氦气检查, 保证泄漏率不大于6.5×10-9Pa·m3/s。阀门密封填料不应对阀杆产生腐蚀影响, 填料盒在正常拧紧后应具有低磨擦系数及良好的力学特性。

◇关于内泄漏, 应保证无可见泄漏。

7) 抗震要求:阀门和阀组的抗震试验或分析应符合NB/T 20010.1-2010, 满足运行基准地震动SL1、安全停堆地震动SL2的要求, SL2为3个方向同时作用6g加速度。

8) 设计寿命

仪表阀冷态循环中, 仪表阀应至少能承受3000次冷态循环次数操作。热态循环中, 仪表阀在运行压力和150℃下, 至少能承受500次循环次数操作, 冷、热态循环次数操作试验后, 仪表阀的功能部件和阀座密封性能应满足设计要求。

9) 带压可操作性

仪表阀在最大差压为15.4MPa的情况下依然能够正常执行操作动作。

10) 阀门附件要求

阀门开关操作应采用手轮或手柄手动进行, 手轮或手柄应尽可能小。开启方向应为逆时针方向。

11) 连接方式

阀门和阀组可配备3/8"OD仪表管以用于插套焊或卡套的连接方式, 仪表管各项要求应满足卡套供货商对仪表管的匹配要求。该仪表管应留有足够长度, 使现场进行仪表管与阀门之间的焊接时不会影响阀门性能, 但两侧总长度一般不超过120mm。

12) 材料要求:用于制造RCC-M 2、3级仪表管阀件的材料需满足RCC-M E2000的要求, 或采用与RCC-M E2000中所列EN标准等效的ASTM标准或国标。

根据现场经验反馈, 并根据第2章核级仪表阀设计技术要求, 可知需要设计一种磅级为2500LB的三阀组核级仪表阀, 阀体简图见图1。

仪表阀结构设计阀体与阀盖采用螺纹连接, 同时提供足够的预紧力 (无垫片金属密封) , 并在密封试验合格后进行密封焊。阀座密封面为阀体本体材料Z2CND17-12, 阀瓣密封面也是本体材料X6CrNiCu17-04。

波纹管是指用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件, 波纹管是仪表阀的关键部件, 关系到整体阀门的密封、寿命和可靠性等性能, 简图参见图2。

依据表1阀门参数, 对仪表阀波纹管的选择提出了两种技术方案, 方案对比参见表2。

方案一, 根据“JB/T11620-2013核级阀门金属波纹管”[2], 波纹管耐压应为38℃时设计压力的1.25倍, 按设计压力 (见20℃的许用压力) 计算, 可得出在20℃时CL2300LB波纹管耐压值为44.16MPa, CL2500LB波纹管耐压值应为48MPa。因此, 波纹管耐压值按设计压力的1.25倍来计算是能满足运行工况下设计压力和设计温度的要求。方案二, 波纹管在20℃时的耐压值能满足要求, 阀门也可以满足设计温度、设计工况的要求。

两种方案都是可行的, 对比分析可知, 方案一阀门通常进行的壳体压力试验为1.5倍许用压力, 如果按此计算, 波纹管耐压值最好应该为:CL2300LB取52.99MPa, CL2500LB取57.6MPa, 否则, 在整机试验时壳体需要单独试验。方案二波纹管通用性较强, 最大可用在DN20 CL2500仪表阀门上。但阀体宽度要达到95mm左右, 造成阀门体积较大, 重量较大, 约为8kg (方案一的阀门重量约1.3kg) , 同时管道承载较大, 需要的安装空间也较大。考虑核电站现场条件和施工调试等因素在设计中考虑实行方案一。

1) 应在CL2500 (38.4MPa) 下5000次循环寿命试验。完成循环试验后进行6.5×10-9/Pa.m3/s氦质谱检漏。

2) 进行不小于0.6MPa气密试验, 保压5min, 无渗漏。

3) 进行50.0MPa@20℃的强度试验, 试验介质水, 保压10min, 波纹管无变形及渗漏现象。

4) 波纹管防扭转设计:采用两段式阀杆, 上阀杆与波纹管组件中的一体式阀瓣 (下阀杆) 之间采用多组钢珠连接, 尽可能降低摩擦力矩, 起到波纹管防扭转的作用, 保证阀门使用寿命。

本文根据核电站现场的经验反馈, 设计一种适用于高温高压高磅级核级仪表阀, 提出了核级仪表阀设计技术要求, 对比分析了两种波纹管技术方案, 为三代核电站仪表阀国产化提供参考。