核電主蒸汽隔離閥及國產(chǎn)化進(jìn)程
一、核電主蒸汽隔離閥
主蒸汽隔離閥(一般英文縮寫(xiě)為MSIV，見(jiàn)圖1)位于安全殼外，安裝在壓水堆核電廠(chǎng)二回路主蒸汽系統管道上，是一個(gè)極其重要的閥門(mén)，是核電廠(chǎng)的重大關(guān)鍵設備之一。系統設計每條主蒸汽管線(xiàn)安裝一臺主蒸汽隔離閥，包括閥門(mén)本體、執行機構以及控制系統。部分結構形式的主蒸汽隔離閥還帶有旁路閥，能在主閥開(kāi)啟前平衡其前后的壓差，并對主閥的下游管線(xiàn)進(jìn)行暖管。
圖1 主蒸汽隔離閥實(shí)物圖
1、主蒸汽隔離閥的功能
1)防止蒸汽發(fā)生器和主蒸汽隔離閥之間某一主蒸汽管道破裂時(shí)安全殼的超壓，并限制由于蒸汽管道或主給水管道破裂而導致主系統的冷卻，使釋放的蒸汽不超過(guò)一臺蒸汽發(fā)生器的水容量。
2)任何位置的蒸汽管道或給水管道破裂后，閥門(mén)必須能夠迅速截斷任一方向的蒸汽流。
3)反應堆處于熱停堆狀態(tài)時(shí)，該閥還用來(lái)將汽輪機側的部分主蒸汽管道與核蒸汽供應系統隔離開(kāi)，以便進(jìn)行下游設備的檢修。
按RCC—P2.1.3.3.6節的要求，被看作能動(dòng)部件的主蒸汽隔離閥必須在其整個(gè)使用壽命期內能執行其功能。這意味著(zhù)在正常和不正常的運行工況下，它們必須在RPR(反應堆保護系統)快速關(guān)閥信號產(chǎn)生后5s內關(guān)閉。
2、主蒸汽隔離閥的特性和技術(shù)要求
主蒸汽隔離閥雖然只是核二級設備，但為了確保閥門(mén)在各種可能遇到的工況下完成其設定的功能，必須具備特殊安全功能的特性，同時(shí)在結構設計、設計計算上需要滿(mǎn)足一些特殊要求，主要包括如下內容。
1)無(wú)論是主蒸汽隔離閥上游還是下游管線(xiàn)發(fā)生破裂，閥門(mén)均能在接到隔離信號5s內自動(dòng)快速安全地關(guān)閉以切斷上游或下游蒸汽流。
2)控制系統設備冗余設計，保證在任何情況下其控制系統與執行機構可用。
3)可以進(jìn)行在線(xiàn)功能試驗(全開(kāi)位置到90%開(kāi)度位置，再回到全開(kāi)位置)。
4)全開(kāi)、全關(guān)和90%開(kāi)度位置遠距離指示。
5)能進(jìn)行定期泄漏試驗。
6)設計工況條件下3000次循環(huán)壽命。
7)閥門(mén)自振頻率不小于33Hz。
8)任何情況下閥門(mén)應保證其結構完整性和可操作性。
9)設計壓力下閥座泄漏率應小于0.1cm3/h，每毫米公稱(chēng)直徑(正向)和設計流量的0.005%(反向)。
10)閥門(mén)及旁路閥的設計需符合ASMEBPVIII—1NC3500或RCC—MC3500的要求，但閥體壁厚計算和應力分析需按ASMEBPVIII—1NB3500或RCC—MB3500(核一級)的要求進(jìn)行，同時(shí)緊急工況下，閥蓋和閥體連接法蘭的分析也需按ASMEBPVIII—1NB3500或RCC—MB3500的要求進(jìn)行。
11)閥門(mén)的執行機構及控制系統應滿(mǎn)足1E級、IEEE323、IEEE344及IEEE382的要求。
3、主蒸汽隔離閥的結構形式和驅動(dòng)方式
(1)主蒸汽隔離閥閥體的結構形式閥門(mén)的結構形式多種多樣，能起隔離作用的形式也很多，但目前國際上使用的主蒸汽隔離閥的結構形式則只有有限的幾種，主要是考慮到閥門(mén)結構設計需要有足夠的強度和剛度、密封可靠和動(dòng)作可靠、安全、快速。
主蒸汽隔離閥的結構形式主要有：作為主蒸汽隔離閥使用的閘閥形式主要是平行雙閘板閘閥和對稱(chēng)楔型雙閘板閘閥，這兩種結構的閥門(mén)在壓水堆核電廠(chǎng)中有廣泛的應用。其特點(diǎn)是閥板的動(dòng)作方向與流體方向垂直，關(guān)閉力較小;具有雙向密封的功能，密封性能可靠;無(wú)論是平行雙閘板閘閥還是對稱(chēng)楔型雙閘板閘閥，閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中閥板和閥座的磨損較小;它屬于改進(jìn)型的閘閥，制造成本相對較低，用戶(hù)和制造廠(chǎng)容易接受。其缺點(diǎn)是閥門(mén)結構尺寸(主要是高度)較大，控制系統復雜。主蒸汽隔離閥模型如圖2所示。
圖2 主蒸汽隔離閥模型
(2)主蒸汽隔離閥執行機構控制原理執行機構本體由四個(gè)氮氣貯存/液壓缸柱及驅動(dòng)桿等組成。氣室起著(zhù)儲存能量的作用，其中的氮氣用作不會(huì )失效的關(guān)閥彈簧，對驅動(dòng)桿產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉閥門(mén)的作用力。電動(dòng)機起動(dòng)，液壓油被泵到液壓缸中，使驅動(dòng)桿收縮，壓縮氮氣存儲能量，此狀態(tài)通過(guò)保持液壓缸及油路中的液壓油壓力來(lái)維持。一旦釋放油壓，執行機構開(kāi)始起動(dòng)。電磁閥帶電使先導閥開(kāi)啟，釋放油壓，液壓油釋放回油箱，氮氣壓力使驅動(dòng)桿向下移動(dòng)，主蒸汽隔離閥關(guān)閉。
實(shí)際上，僅僅采用液壓裝置是不能滿(mǎn)足主蒸汽隔離閥的所有功能的，因此文中液壓裝置實(shí)際上包含了氣動(dòng)方式，因此應該叫液—氣聯(lián)動(dòng)裝置。該液壓裝置一般包括液壓泵、氣體貯罐、液壓缸、活塞和液壓系統組件等部分，貯罐中裝的氣體起到不會(huì )失效的關(guān)閉彈簧的作用，以保證閥門(mén)快速關(guān)閉、隔離主蒸汽管系的目的。
(3)主蒸汽隔離閥動(dòng)力單元的形式動(dòng)力單元即泵回路，包括油箱、泵、電動(dòng)機、相關(guān)的干燥裝置及過(guò)濾裝置等。
(4)主蒸汽隔離閥液壓控制回路形式在執行機構本體兩側布置著(zhù)兩個(gè)功能單元，構成相似的兩個(gè)但各自獨立的液壓回路，即A通道和B通道，完成與安全有關(guān)的快關(guān)功能，每一條液壓控制回路都可以完成快速泄油使主蒸汽隔離閥能在5s之內迅速關(guān)閉。A通道還包括正常開(kāi)閥、關(guān)閥回路。
(5)主蒸汽隔離閥驅動(dòng)方式主要包括介質(zhì)驅動(dòng)、起動(dòng)裝置、液壓裝置。目前國內的壓水堆核電廠(chǎng)使用的主蒸汽隔離閥大部分采用液壓裝置這種驅動(dòng)方式，這也是國際上其他核電站主要采用的驅動(dòng)方式，另外還有一部分采用介質(zhì)驅動(dòng)的方式。主蒸汽隔離閥的執行機構基本上不使用電動(dòng)裝置，主要是因為電動(dòng)裝置是提供旋轉運行，在轉化為閥門(mén)的直線(xiàn)運動(dòng)時(shí)不能保證在5s內快速又安全可靠的關(guān)閉閥門(mén)，同時(shí)不能很好地解決電動(dòng)機失電時(shí)閥門(mén)的關(guān)閉問(wèn)題。
二、國產(chǎn)化進(jìn)程
主蒸汽隔離閥雖然是核二級閥門(mén)，由于其重要性以及制造的復雜性，至今國內已經(jīng)運行機組及在建機組均是采購國外產(chǎn)品。目前中核蘇閥科技聯(lián)合上海核工程設計研究院進(jìn)行研制。
1、研制內容
研制的主要內容可以分為以下三個(gè)方面。
(1)控制系統的研制由于主蒸汽隔離閥要求具有5s的快速關(guān)閉，因此控制系統是其關(guān)鍵技術(shù)。
(2)閥體高質(zhì)量的鑄造或鍛造可由國內制造水平較高的閥門(mén)廠(chǎng)承擔，由于閥體體積較大，因此對其缺陷的檢驗是關(guān)鍵。通常主蒸汽隔離閥閥體采用鑄造，因此需要通過(guò)無(wú)損檢測來(lái)保證鑄件質(zhì)量。鑄件內部質(zhì)量可以通過(guò)X射線(xiàn)檢測并且缺陷不超過(guò)Ⅱ級。表面質(zhì)量可通過(guò)液體滲透檢測來(lái)保證。
(3)功能鑒定試驗冷、熱循環(huán)可操作性驗證試驗和冷熱交變試驗、抗震試驗：對于功能鑒定試驗，冷、熱循環(huán)可操作性驗證試驗和冷熱交變試驗需要制訂相應的試驗大綱和程序，并搭建配套的試驗設施。
2、設計方面
樣機的模型及實(shí)物如圖3、圖4所示。
圖3 樣機模型圖
1.閘板2.楔形塊3.閥體4.閥桿5.密封圈6.閥蓋7.夾環(huán)8.支架9.液/氣驅動(dòng)機構
根據相關(guān)技術(shù)標準已經(jīng)完成了全部設計計算、技術(shù)分析及專(zhuān)家設計評審工作，主要包括以下內容：樣機設計說(shuō)明書(shū)、整套圖樣(零件圖、裝配圖)、三維模型、設計計算書(shū)、設計計算結果報告、承壓鑄件采購技術(shù)標準、承壓鍛件技術(shù)條件、緊固件技術(shù)條件、承壓鑄件原型件工藝評定要求、液/氣驅動(dòng)裝置采購技術(shù)條件、出廠(chǎng)試驗大綱、型式試驗大綱、試驗前檢驗大綱、動(dòng)作性能試驗大綱、冷循環(huán)試驗大綱、熱循環(huán)試驗大綱、動(dòng)作壽命試驗大綱、中間檢驗試驗大綱、地震靜載及端部加載試驗大綱、試驗后檢驗大綱、制造質(zhì)量計劃、標準化審查報告以及使用說(shuō)明書(shū)。
圖4 樣機實(shí)物
3、樣機完成的工作
1)完成圖樣設計和分析計算，并通過(guò)了專(zhuān)家技術(shù)設計評審。
2)聯(lián)合上海交通大學(xué)，利用有限元分析的方法完成閥門(mén)的抗震分析、沖擊響應和密封分析接觸分析、流場(chǎng)分析、傳熱分析、激振及噪聲分析。
3)2011年11月26日完成閥門(mén)整機的安裝和調試，并進(jìn)行了動(dòng)作試驗，包括閥門(mén)慢開(kāi)慢關(guān)、快速關(guān)閉和部分行程動(dòng)作、閥門(mén)運行流暢。
4)2011年12月14日完成閥門(mén)的出廠(chǎng)試驗。包括殼體試驗、填料密封試驗、倒密封試驗和閥座密封試驗、所有試驗滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)和試驗大綱的要求。
5)2011年12月15日完成閥門(mén)的動(dòng)作性能試驗。其中空載快關(guān)試驗時(shí)間為1.68s;各項操作滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)和試驗大綱的要求。冷循環(huán)試驗，分別進(jìn)行了最大驅動(dòng)力和最小驅動(dòng)力的三次循環(huán)動(dòng)作。
4、核安全局取證情況
1)中核蘇閥已經(jīng)向國家核安全局提交了主蒸汽隔離閥設計/制造許可證擴證申請。
2)DN800主蒸汽隔離閥樣機同時(shí)作為核安全局擴證的模擬件。
3)已通過(guò)核安全局現場(chǎng)檢查。
4)機械科學(xué)研究總院核設備安全與可靠中心作為主審單位，見(jiàn)證了模擬件的殼體試驗、密封試驗、動(dòng)作性能試驗和冷循環(huán)試驗。
三、結語(yǔ)
主蒸汽隔離閥是核電設備十分關(guān)鍵的主要設備之一，與核安全直接相關(guān)。目前國內已運行機組和在建機組全部采用進(jìn)口設備。高端進(jìn)口閥門(mén)的較長(cháng)供貨周期以及高昂的價(jià)格已經(jīng)成為制約我國核電發(fā)展的一個(gè)重要因素，因此研制合格的高端閥門(mén)已經(jīng)迫在眉睫。高端閥門(mén)的國產(chǎn)化既可以提高我國核電裝備的技術(shù)水平，避免在高端核電設備領(lǐng)域受制于人;又可以降低核電設備采購費，降低成本。主蒸汽隔離閥的國產(chǎn)化勢必提高我國核電裝備技術(shù)水平，降低核電設備采購成本，縮短設備供應時(shí)間。
