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核电阀门高温分析方法研究

发表时间：2020/7/2 来源：《基层建设》2020年第6期作者：严洪亮

[导读] 摘要：随着核电技术的发展，核电阀门的应用温度越来越高。如我国重点发展的第四代核电主力机型快中子反应堆（以下简称“快堆”），其快堆蒸汽发生器蒸汽回路快速隔离阀设计温度为530℃，钠闸阀的设计温度也都超过500℃。

        中核辽宁核电有限公司
        摘要：随着核电技术的发展，核电阀门的应用温度越来越高。如我国重点发展的第四代核电主力机型快中子反应堆（以下简称“快堆”），其快堆蒸汽发生器蒸汽回路快速隔离阀设计温度为530℃，钠闸阀的设计温度也都超过500℃。根据ASMEBPVC第Ⅱ卷D篇表1A/1B和表2A/2B中适用性和最高温度界限，主体材料碳钢、合金钢的最高温度界限是371℃，不锈钢的最高温度界限是427℃，这使得当阀门的设计温度超过最高温度界限时，不能使用表1A/1B中的最大许用应力值S或表2A/2B中的设计应力强度值Sm，给阀门的设计分析造成不便。本文基于核电阀门高温分析方法研究展开论述。
        关键词：核电阀门；高温分析方法；研究
        引言
        爆破阀是火工品驱动阀门的总称，该类阀门在军工和航天上均有比较广泛的应用，具有结构紧凑、功能可靠的特点。三代核电技术CAP/AP系列核电站首次将爆破阀引入压水堆核电机组，用于提高系统的安全性和可靠性。在CAP/AP系列核电站中，一个机组共设置3个规格12台爆破阀，主要用于第四级自动卸压系统、低压安注系统以及安全壳再循环系统。其中，CAP/AP1000核电站每个机组为6台DN200高压爆破阀、2台DN200低压爆破阀和4台DN350爆破阀，CAP1400核电站每个机组为6台DN250高压爆破阀、2台DN250低压爆破阀和4台DN450爆破阀。爆破阀是核电站重要的安全设备，有很高的可靠性要求，开展爆破阀的技术解析，针对爆破阀研制过程中的重点和难点提出解决措施，确保爆破阀产品在核电站严苛的环境中能够保持功能性及可靠性。
        1最小流量阀空化产生原理
        调节阀空化产生过程如下：调节阀前液体压力为P1，调节阀后液体压力为P2，液体工作温度对应的饱和压力为Pv。当液体流过调节阀节流处时，由于通流面积减小造成流速升高，液体压力在节流处及其下游降低到低于该液体工作温度对应的饱和蒸汽压Pv。随着调节阀下游流通面积的增大，流道内的流速降低、压力逐渐升高，当压力升高到大于工作温度下的饱和蒸汽压时，气泡逐渐溃裂破灭为液体，在液体中生成气泡并溃灭的过程被称为空化。由于给水泵出口压力较高，除氧器压力较低，所以给水泵最小流量阀前后压差较大，且该阀门内工质温度为除氧器压力下饱和温度，阀后压力比除氧器压力略高，但基本接近除氧器压力。因此，阀门最后一级节流件内工质很容易出现空化，从而引起对阀内件及密封面的损坏，同时产生振动和噪声。消除调节阀空化的方法主要有以下3个方面：1）第一种方法是通过控制压力降来消除空化。如果通过阀门的压力降经过控制而使得局部压力不会低于饱和蒸汽压力，那么蒸汽气泡就不会形成，没有蒸汽气泡的破裂，也就不会产生空化。这种方法主要集中于对阀门内件结构的研究，使用多级降压内件，把通过阀门的压降分成数个较小的压降，每一个较小压降都确保其缩流断面处的压力大于蒸汽压力；2）第二种方法是尽可能减小或隔离其破坏。这种方法的目标是把空化与阀内表面隔离开来，并硬化那些会受到冲击的表面。如在受冲蚀严重的部件使用高硬度合金或不锈钢材质，或在部件表面喷镀硬质合金层；3）第3种方法是以某种方式改变工艺系统或布置，将阀后压力P2升高以致于缩流断面处的压力不会降到饱和蒸汽压力以下，那么空化就可以避免了。如在阀门下游管路增加限流孔板来提高阀后压力。
        2分析原则
        根据NH-1110，NH分卷的规则要求部件、零件及配件即使在金属温度超过NB分卷规则和应力限值以及第Ⅱ卷D篇表2A/2B和表4所规定的温度，亦能执行其功能。当部件、零件或配件的一部分经受的温度始终处在第Ⅱ卷D篇表2A/2B和表4规定的温度范围内时，可以按NH-3000的规则设计，另外亦可按NB-3000的规则设计。这段话可以理解为，材料为碳钢、合金钢超过最高温度界限371℃的部位可以参照NH分卷进行分析评价，低于最高温度界限371℃的部位可以采用NB分卷进行分析评价；同理，材料为不锈钢超过最高温度界限427℃的部位可以参照NH分卷进行分析评价，低于最高温度界限427℃的部位可以采用NB分卷进行分析评价。

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        ４临界前首次开启ＭＳＩＶ的风险分析
        （１）临界前暖管后第一次全开ＭＳＩＶ风险较大，平均温度下降最多８℃，导致一回路平均温度低信号Ｐ１２触发。若试验前存在蒸汽流量高信号，或者是相关仪表质量位导致蒸汽流量高信号触发，特别是蒸汽流量较低时流量表的越下限质量位信号触发，将触发蒸汽流量高与一回路平均温度低低安注。（２）ＭＳＩＶ开启时，３个隔离阀务必尽量间隔时间短，因压力下降较快，Ａ列试验时阀门关闭前压力已下降０．７Ｍｐａ（７．３９～６．６９ＭＰａ．ｇ），若开启不同步，有蒸汽管道压差高于０．７ＭＰａ即两高一低安注风险。（３）因一回路温度急剧下降，导致一回路剧烈收缩，稳压器压力下降较快，容控箱液位快速下降至低低，若无操纵员干预将自动切换至换料水箱，导致一回路被误硼化。（４）蒸汽发生器水位当前处于手动控制，若按照负荷整定值为－０．５８ｍ，如果试验时水位较低，则试验过程中若ＭＳＩＶ关闭不及时，将导致蒸汽发生器水位持续下降，有水位低低的停堆风险。
        结束语
        爆破阀是核电站的新型阀门，也是重要的安全设备，中核苏阀科技实业股份有限公司根据技术转让的基础先期开展CAP/AP1000核电站DN200和DN350爆破阀研制，根据爆破阀的功能要求和结构特点开展技术解析，通过充分的分析计算和试验验证，掌握了爆破阀的核心技术，成功进行了爆破阀的原理样机试验和工程样机试验。在此基础上，进一步成功研制了CAP1400核电站DN250和DN450爆破阀。目前，爆破阀整机和爆破单元都已经通过了全部EQ鉴定试验，即将走向工程化应用。
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