核电阀门抗震试验方法

核电阀门抗震试验方法

王彤臣于景志赵海强

海南核电有限公司海南省昌江黎族自治县572733

摘要：随着我国国民经济持续快速发展，对我国能源工业提出了迫切的要求。目前，从确保我国能源安全、优化能源结构、支持国民经济可持续发展的迫切需要出发，制定了立足于火电，大力发展水电，适时开发核电等新能源的政策。我国核电建设正在进行试验性和补偿性调整，以实现战略性和积极性的发展。这对我国核电事业来说是一个很好的发展机遇，对核电站阀门的巨大需求为国内外阀门制造商带来了广阔的市场前景。

关键词：核电阀门；抗震试验；方法

核电阀门是核电站的大型水压设备，它连接整个核电站的300多个系统，是核电厂安全运行的关键附件。据有关统计，全球现有核电机组500余座，总装机容量4亿千瓦多，反应堆类型主要有压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）、石墨堆（LGR）、快中子堆（FBR）、高温气冷堆（HTGR）、重水堆（PHWR）。其中，压水堆占整个堆类型的50％以上。

1、核电阀门概述

核电阀门是指用于核电站核岛N1、常规岛CI和电站辅助设施BOP系统中使用的阀门。从安全级别分为核安全级I级、II级、III级、非核级。其中，核安全I级具有最高的要求。核电阀门在核电厂中使用大量的中等传动控制装置，是核电厂安全运行中不可或缺的一部分。据统计，一个拥有两台100万千瓦机组的核电站拥有三万种各类阀门。

2、核电站阀门的重要性

虽然核电站设备中的阀门只是附件，但其作用不可忽视，因为阀门在核电厂正常、安全和可靠的运行中起着非常重要的作用。由于核电站使用的阀门种类繁多，可以说几乎电站的每个系统都不能离开阀门。以一座有两套200万千瓦级的压水堆核电站为例，所需阀门数量约为30000台。尽管阀门投资占核电站总投资的2％左右，但电站在阀门上的年维护费用占维护费用的一半以上。一些重要的阀门产品，如主蒸汽隔离阀、调节器安全阀和主蒸汽安全阀也是核电站的关键设备。应用在一回路系统各种核级阀门直接关系到核电厂的正常安全运行，也不允许有任何错误。根据国际原子能机构核电站事故案例反映，由于阀门故障和失效而造成的停机或停堆事故，甚至核泄漏的比例占很大比例，必须引起阀门行业足够的重视。

3、核电阀门工作条件

核电阀门由于其特殊的、复杂的和恶劣的使用工况以及广泛的应用而具有高要求。除了核电站复杂的条件之外，核电阀门在传输介质的放射性、温度和压力水平方面非常特殊。核电阀门传动的主要介质是：饱和蒸汽、冷凝水、放射性水蒸气重水、辐照腐蚀性物质、二氧化碳、钠、氦、油、放射性介质、稀硫酸和碱液、真空等流体介质。一回路上的大直径阀门的工作条件最为复杂，在这个阶段，核电厂的蒸汽参数要低于火电厂的蒸汽参数，但核电厂的运行情况要复杂得多。在液态金属冷却剂的快中子反应堆装置中，蒸汽参数最高。

4、核电阀门的类型

核电阀门比传统的大型火力发电站阀门具有更高的技术特性和要求。阀门通常包括闸阀、截止阀、安全阀、主蒸汽隔离阀、球阀、隔膜阀、减压阀、控制阀、止回阀、蝶阀等。代表性阀门的最高技术参数是：最大直径DN1200mm（核级三级蝶阀）、DN800mm（二级主蒸汽隔离阀）、DN350mm（一级主回路闸阀）；最大压力：约1500磅；最高温度：约350°C；介质：冷却液（硼酸水）等。核级阀的生产要求一般是根据核工业标准EJ、美国ASME、IEEE标准和法国压水堆核岛机械设备设计和施工规则RCC-M。此外，满足抗震要求的安全阀，用于核燃料提取的软密封高硬度电磁阀和顶装式核电球阀是迫切需要开发的核电阀门。

5、核电阀门常见故障类型

在核电站系统中运行的阀门中最常见的故障类型如下：阀杆泄漏、阀座泄漏、由于执行机构选择过大和关闭力矩过大造成密封面损坏、外部泄漏。

6、核电阀门其他技术要求

根据核电阀门的实际运行情况，核电阀门的技术特点和要求均高于火电阀门的技术特性和要求，核电阀门的技术要求除了常规阀门的技术要求外，还要考虑介质中的杂质、湿度、放射性、环境温度、工作温度、直流电源和电压波动、与地震和振动相关的稳定性技术要求、安全等级等。

6.1、核电阀门的设计

核电阀门设计，强度计算非常重要。除了传统的强度计算，有限元分析和地震分析之外，还需要核安全1级阀来限制膜应力的计算，薄膜应力+弯曲应力的极限计算，以及环路启动-停止极限的计算，计算周期增加二次应力变化幅度，除周期起停条件外的一次和二次应力极限计算，疲劳性能分析。

结构设计。由于核动力系统的传动介质大部分是放射性的，不允许任何泄漏，所以阀门的填料、波纹管和阀座在结构设计上的密封结构的设计特别重要（阀体的形状设计，在ASME标准中规定）。在国外，填料一般采用多层密封结构，Ω环密封结构和填料层间带碟形弹簧的填料箱密封结构。波纹管通常使用组合波纹管密封结构。对于重要的高压阀门，阀座使用锻造结构。另外，阀体与管道的连接采用对接或承插焊接结构。

6.2、核电阀门的材料

核电阀门材料必须具有良好的耐腐蚀性、耐辐射性、抗冲击性和抗晶间腐蚀性。正常情况下：承压部件必须使用ASMEBPVC-II-D-1的材料要求；阀杆和承压螺栓通常由沉淀硬化钢制成；填料使用石墨纤维、纯石棉或膨胀石墨。

6.3、核电阀门驱动装置

核电阀门驱动装置的性能和质量是非常重要和关键的，他们必须具备安全操作的可靠性，同时，他们应该能够承受最高温度、压力、湿度、辐射、地震损伤、化学污染和电源变化的最大值，在失水失败的情况下，它必须能够在规定的时间内工作（通常标准为14天）。此外，除了驱动装置的电气部件需要使用O形圈密封外部环境外，驱动装置的设计人员还应该考虑核电应用中高压阀门的快速操作问题。

6.4、相关规范

从事核电站阀门设计制造的人员必须先熟悉并掌握国家颁布的一套核安全法律法规的有关规定，并向国家核安全局主管部门和国家核安全局提交申请，同时经上级有关方面审查批准后予以出具，工作只能在相关活动的许可证之后进行。在实践中，我们必须认真贯彻我国和国际上一些公认的法律和标准，如核安全法规HAF、核安全准则HAD、核工业标准EJ、美国机械工程师学会标准ASME、电气与电子工程师协会电子工程师标准IEEE和法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则RCC?M等规范性文件。企业标准必须以保证遵守上述各种法律法规为前提，以确保制造的核级产品符合公认的监管要求。

6.5、抗震要求

核电站需要核级阀门可以继续保持阀门结构和承压边界的完整性，并在地震期间或之后保持良好的运行特性。

6.6、核电阀门的试验与检验

核电阀门需要传统的水压试验——壳体试验、圆盘强度试验、阀座密封试验、上部密封试验、填料密封试验以及电动和气动阀门等执行器的抗震试验；操作类型阀门经受静态压力寿命测试；主回路中的重要阀门也必须经过冷、热和LOCA事故（即失水事故）的测试。（美国的ASME、日本的JEM等，详细描述了上述试验和检验，并提供了评估标准。）

结束语：核电站设备的抗震性能直接关系到核电厂的安全。特别是我国是一个多地震国家，因此核电厂的地震研究非常重要。对于核电站设备的地震验收，如负荷选择地震环境是一个重要问题，它必须考虑设备的安装位置、特性、大小、振动频率范围和持续时间等因素。目前，核电厂地震验收标准和试验方法仍在研究中。

参考文献

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