探析核电厂主蒸汽隔离阀研制的关键难点及其处理

黄敏 谢昌铭

摘   要：基于主蒸汽隔离阀在保障核电厂安全方面所起到的重要作用，阐述了核电厂主蒸汽隔離阀的主要功能，并结合主蒸汽隔离阀国产化的重要意义及国产主蒸汽隔离阀研发现状，分析说明主蒸汽隔离阀研制过程面临的设计要求难点、结构设计难点，提出核电厂主蒸汽隔离阀国产化研制的关注事项和建议措施，为主蒸汽隔离阀国产化研制提供参考。

关键词：核电厂  主蒸汽隔离阀  国产

中图分类号：TM62                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0110-02

核电厂的主蒸汽隔离阀（MSIV）技术含量高，自主研制存在着诸多难题，我国已投产核电机组的MSIV均为进口设备。MSIV的国产化，不仅能节省核电设备采购成本，也将使我国高端核电设备不再受制于人，同时还能推动相关制造产业的快速发展。近年我国加大高端核电装备研发力度，启动了MSIV自主研制的尝试，但是，国产MSIV缺乏设计参数下的长时间运行验证，要实现MSIV的完全国产化并确保其高安全性、高可靠性，阀门制造厂仍然面临着很大难题，本文将针对核电厂MSIV研制的关键难点及其处理进行阐述。

1  MSIV基本概述

压水堆核电厂的MSIV，通常设计为安装在安全壳外的各个二回路主蒸汽管道中，虽然MSIV属于核二级设备[1]，但作为核电厂的重大关键设备之一，在核电厂的安全运行过程中起到至关重要的安全功能。在机组正常启停阶段，通过MSIV及其旁路阀的关闭将核岛侧供汽管道与常规岛侧的主蒸汽管道隔离开，以便进行下游设备的检修。并且在事故情况下能够根据接收到的MSIV快速关闭指令，实现阀门可靠关闭，迅速截断任一方向的蒸汽流，避免事故扩大。主蒸汽管道穿过安全壳，MSIV及其上游蒸汽管线作为安全壳的延伸，在发生蒸汽发生器传热管破裂事故情况下，能够配合其他隔离措施，快速将泄漏进二回路的放射性限制在事故蒸汽发生器，避免放射性大量进入二回路系统和设备，减轻事故后果。

我国已投产的核电厂中，MSIV通常情况采用进口设备，由于进口设备价格高以及供货周期长等各方面因素，曾一度对我国核电事业的发展造成一定的制约。目前我国部分阀门制造厂家经过多年研究，使MSIV实现部分国产化，比如目前在建的华龙一号示范工程福清核电5号机组的MSIV，阀门本体由苏阀制造，但执行机构仍依托进口。

2  核电厂MSIV研制的关键难点

2.1 设计要求难点

主要体现在：

（1）任何位置的蒸汽管道或给水管道破裂后，阀门必须在5s内迅速截断任一方向的蒸汽流，防止失控的蒸汽喷放量超过一台蒸汽发生器的水装量，以维持反应堆冷却剂和安全壳压力升高值在可接受范围内;

（2）要保证控制回路的冗余，在任何情况下其控制系统与执行机构均可用;

（3）能在正常运行工况下进行阀门局部关闭试验（100%开度-90%开度-100%开度）;

（4）保证全开位置、全关位置以及90%开度位置的长距离位置指示;

（5）需要保证在设计工况下的3000次循环寿命，满足设计需求以及各项工作需求[2];

（6）在不同情况下都需要保证MSIV的有效性、可操作性及结构完整性;

（7）需要保证温度及压力不断变化情况下的密封性与可靠性。

2.2 结构设计难点

通常情况下MSIV由控制系统、执行机构以及阀门本体三部分组成。目前我国正在建设以及运行的百万千瓦压水堆核电机组主要采用楔式双闸板闸阀等形式。其结构设计难点主要体现在：第一，结合MSIV实际情况以及功能要求，可以采用自压密封式结构，同时阀盖与阀体同样需要采用该结构。因为该结构密封性与稳定性较强，尽管在实际工作中温度以及压力出现变化，但是该结构并不会受到影响，同时能够充分发挥自身的高温密封系能，避免介质外泄情况产生。第二，在具体设计过程中，还可以使用上密封结构。因为上密封结构可以在填料函密封失去作用时，保证MSIV的稳定性与可靠性。

3  核电厂MSIV研制难点处理

3.1 加强设计计算工作

MSIV属于核安全二级设备，在阀门设计时，需要符合相应的标准与规定。首先，阀体应力以及阀体壁厚的分析要按照核安全一级设备来开展[3]。其次，MSIV需要承受核电厂寿命期限内的使用载荷以及设计载荷，使用载荷与设计载荷包括气锤载荷、地震载荷等，要保障承压边界完整性和功能的有效性。在进行工况计算时，需提前掌握并了解阀体形状、阀体应力等。在对MSIV进行抗震分析与应力分析工作时，可以使用有限元分析法等。目前MSIV研制单位，通常情况下会使用行业认可的力学软件对MSIV进行抗震分析与应力计算。

3.2 做好阀门执行机构的选用

阀门执行机构是MSIV重要组成部分，MSIV的各项功能需要通过执行机构实现。所以，执行机构的选用，对MSIV的使用寿命以及产品功能会产生直接影响。需要从以下4方面进行考虑：

一是要考虑执行机构控制力矩对阀门密封面的影响，力矩较大易造成密封面损坏;力矩较小，将无法实现密封效果。

二是要考虑执行机构驱动方式。目前普遍采用气液联动方式，装置主要包括氮气贮罐、液压回路以及管路附件等组成部分。制造厂在进行MSIV研制时，需要基于阀门在各种工况下快关时间小于5s的前提要求，考虑MSIV工作温度、压力、湿度、载荷裕量，确定MSIV执行机构的控制原理、接口形式等。

三是要考虑执行机构对阀门固有频率造成的影响。要将驱动装置体积做到尽可能小，重心尽可能低，设计尽可能紧凑，刚性较好。

四是要考虑执行机构控制系统的配套研发。控制系统是阀门驱动装置的核心，应具有可靠性、稳定性、冗余性。

3.3 保证阀门制造原材料质量

MSIV研制主要需保证铸锻件及非金属材料质量。MSIV的阀体与阀盖一般采用碳钢铸件，闸板、阀杆、阀座等会使用锻件，填料和中法兰缠绕垫片等采用非金属材料（如石墨材料）。材料质量决定了阀门性能，如铸件质量决定阀门能承受的极限载荷、密封性;非金属材料直接与介质接触，必须满足耐高温、耐高压、耐辐照等特性，且不能对其接触的部分产生腐蚀。

因此在阀门制造过程中，必须做好各部件选材，不仅是在铸件铸造过程中，要做好原型件评定工作，严格按照相应的工艺流程做好产品无损检验，避免主体铸件缺陷。在非金属材料选择时，也要考虑核电厂特殊环境条件及使用要求。

4  结语

核电厂MSIV是核电厂重大关键设备之一，与核安全直接相关，在核电厂的工作中发挥着不可替代的作用，由于其功能的重要性以及设备本身在设计和制造工艺方面的复杂性，需要阀门制造厂在MSIV研制过程中，要充分吸收进口设备设计理念，结合核电厂MSIV调试运行经验反馈，加大研制上的设计资源投入。同时，相关工作人员需要端正工作态度，认识到自身工作重要性，认真严谨对待各环节工作，做好阀门控制回路方式、执行机构以及原材料的设计、选择工作，不断提升国产MSIV的可靠性、安全性以及零部件国产化率。

参考文献

[1] 李玉红，张楠.“华龙一号”主蒸汽隔离阀定期试验功能研究与设计[J].自动化仪表，2018，39（9）：63-67.

[2] 李玉红.主蒸汽隔离阀执行机构列间信号传输功能的设计[J].产业与科技论坛，2018，17（8）：101-103.

[3] 熊冬庆，贺振宇，李世欣，等.核电厂主蒸汽隔离阀研制难点分析[J].核动力工程，2018（3）：138-142.