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上海陆贡阀业有限公司
阀门知识

核电阀门的特点及特殊要求

2018-09-26

电动阀门


一回路使用的阀门按其结构来分,有截止阀、节流阀、闸阀、止回阀、球阀、隔膜阀、控制阀、安全阀、电磁阀、减压阀等,约有二百多个规格。这些阀门分别安装于安全壳内和安全壳外。

根据阀门对核电站安全的不同重要程度,按我国核安全法规共分成四个等级,即安全一级、安全二级、安全三级和安全四级。安全一级、安全二级、安全三级相当于ASME标准的NB、NC、ND级。安全四级常称非核级。

根据电站对阀门的抗震要求来分,有抗震I类阀和抗震II类阀。全部安全一级和二级阀都是属于抗震I类阀。原则上安全三级也属于抗震I类阀,其余阀门属于抗震II类阀。

一回路辅助系统多数在安全壳外,它通过一根或数根管道穿过安全壳与壳内的辅助系统和主系统相连,在贯穿区的两侧一般装有两只阀门。这两只阀门就叫安全壳隔离阀。

一回路压力边界阀门,由其名称就可知这种阀门的作用和重要性。这类阀门属于安全一级,抗震I类阀。

由于一回路的介质、技术参数、环境条件对阀门的安全可靠性要求等均不同与常规电站,因此除了一般要求外还有如下特殊要求。

1、抗辐射要求

核电站给阀门辐照累计量为1.2x106Gy,因此阀门选用的材料除了满足工作介质外,还应该耐辐照,即材料受辐照后其使用性能不改变,不活化,即材料的半衰期要短。半衰期长的材料,如铜、钴等尽量少用,甚至不用。

(1)中子辐照对材料力学性能的影响:材料经中子辐照后,其力学性能会显著改变:强度指标增加,塑性指标降低,脆性-塑性转变温度提高。也就是说,辐照能使材料变脆,这种现象叫作辐照硬化。

辐照还可使蠕变速率显著增加。中子辐照对材料力学性能的影响见表1。

表1中子辐照对材料力学性能的影响

材料

快中子积分通量/(中子数/㎡)

屈服强度/MPa

zui大抗拉强度/MPa

伸长率(%)

照射前

照射后

照射前

照射后

照射前

照射后

Mo

5x1019

655.9

695.8

698.5

730.1

23.6

22

Cu

5x1019

58.8

212.1

189.7

23.8

42.2

27.5

Ni

5x1019

252

434

413

441

34

23

Hastelloy-x

2.5x1020

345.8

744.1

784

917

52

42

Inconel-x

1.6x1020

722.4

1110.2

1190.7

1129.1

28

14

一般来说,燃耗(对燃料而言)越深或中子积分通量(对非裂变材料而言)越高,辐照温度越低,材料的硬化效应越显著。辐照后进行退火通常可以使材料的机械性能恢复到辐照前的水平。

(2)中子辐照对材料尺寸稳定性的影响  作为反应堆材料,无论是燃料元件,还是其他的堆内部件,都要求在中子辐照作用下尺寸稳定,否则就会对反应堆安全运行带来极大的危害。辐照引起材料尺寸变化主要表现在以下两个方面:

1)辐照生长。某些材料(如а-铀、锆、镉、锌、钛等)在中子辐照作用下表现为定向的伸长和缩短,这种现象的特征是它们的密度基本保持不变。列如斜方晶系的а-铀,其单晶体在辐照下,b轴方向伸长,a轴方向缩短,c轴方向不变;六方晶系的石墨,在辐照下,c轴膨胀,a轴收缩。

2)辐照膨胀。肿胀是不同于辐照生长的另一种尺寸不稳定的形式。它表现为体积增大而密度降低。

列如铀、二氧化铀、石墨、铍、氧化铍等这些常用的堆芯材料,在中子辐照下,在一定的温度以上都会发生肿胀。一般是低温辐照生长,高温辐照肿胀。

除上述中子对固定物质的作用外,对处于同核燃料紧密接触的材料,还有裂变碎片对固定物质的作用问题。因为原子核裂变后所形成的碎片具有很高的能量,它能使大量点阵原子产生位移。由于裂变碎片在燃料元件内的射程只有几微米,所以只在很靠近产生裂变的部位附近形成位移峰。这种位移峰所产生的效应与快中子引起的效应相同。

  裂变碎片的作用相当于杂质原子进入点阵。固体裂变产物进去点阵后就会导致燃料元件的体积肿胀。气体裂变产物主要是氙和氪,其体积要比原来生成它们的燃料原子所占的体积大许多倍。在某些燃料元件中,这种肿胀效应是引起其尺寸变化的主要原因。

2、密封要求

  由于介质是带有放射性的含硼水,因此要求阀门的密封好,无外漏,中法兰密封应安全可靠,为了保证阀杆无外漏,结构上应采用波纹管和中间引漏。为了便于清洗,要求阀门内外表面光滑,阀体内应尽量避免有死角,防止沉积放射性颗粒。

3、填料垫片要求

  由于一回路的水质以及不锈钢设备的要求,特别是薄壁设备,如燃料元件包壳、蒸发器管子、波纹管等,必须防止氯离子破坏水质,造成不锈钢设备的点腐蚀,因此要求阀门选用的填料、垫片的氯离子含量应小于0.01%。低硫离子含量应小于0.05%。

4、禁用材料

  由于事故而产生的安全壳内安全喷淋液中有NaOH和硼,因此阀门一般严禁使用铝和锌或镀锌材料,如果要用必须使用这些材料征得总体设计的同意。阀门不得选用低熔点材料,如锡、铅等,与介质接触的表面禁止电镀和氮化。

5、LOCA(失水事故)要求

  装于安全壳内的阀门应满足LOCA要求,即在失水事故状态下阀门仍能动作,这就要求阀门选用的电动装置、仪器、仪表及其他附件,均应通过LOCA试验。

6、结构要求

  由于阀门的介质具有放射性,所处的环境又有一定的辐照剂量,因此要求装拆维修阀门的速度要快,故要求阀门结构简单,装拆维修容易等特点。阀体流道设计应流畅,尽量减少或避免产生死角。表面光洁平滑,便于清洗。

7、安全可靠性要求

  阀门在核电站运行中,起着十分重要的作用,阀门性能的好坏会直接影响核电站的安全,因此核电站要求阀门的性能必须安全可靠。为了达到这一目的,要求制造厂在为核电站正式提供产品前,必须选择典型的具有代表性的阀门做样机。样机必须经受一系列的型式试验,如冷态性能试验、热态模拟工况试验、寿命试验(机械磨损、热老化和辐射老化试验)、地震试验等,电器设备还应做LOCA试验,以验证阀门性能的安全可靠性。

8、抗震要求

  核电站要求核级阀门在电站遭受地震期间或地震后能继续保持阀门结构和承压边界的完整性及良好的工作特性,基于此对核级阀门提出以下三个具体要求:

1)要求阀门的自振频率应大于33Hz,因为一般的地震频率为0.2~33Hz,如果阀门的自振频率在这个范围内,那么地震时就会引起共振,致使阀门和连接的管道容易受到地震破坏。

2)阀门必须做抗震计算,计算的目的是为了保证阀门在地震载荷下,仍能保持阀门结构的完整性和承压边界的完整性。

3)对于抗震I类阀,必须选择具有代表的阀门做抗震试验。试验的目的,除了验证设计计算以外,更重要的是考核该阀门在地震状况下是否能保持运行和动作安全可靠性。一般试验的内容有三项:测自振频率、五次OBE(运行基准)地震试验,一次SSE(安全停堆)地震试验。

9、严格的技术条件

  由于核电站对核级阀门有着许多不同的特殊要求,根据这些要求专门确定了一系列有关核电阀门的设计制造、试验和验收的技术条件,使生产厂能按照这些技术条件生产出符合要求的核级阀门。

10、质保要求

  制造厂应根据要求编制相应的质保大纲、质保体系和质量控制等文件,以确保自己生产出的阀门符合核级要求,从而向核电厂提供高质量的具有安全可靠性的阀门。另一方面使核级阀门的重要部件具有可追溯性。

 


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