核電站用高溫高壓核級儀表閥設計研究

王占元，王蘭蘭

（1.華龍國際核電技術有限公司，北京 100036；2.中國核電工程有限公司，北京 100840）

核級儀表閥是核電站中大范圍使用的儀控設備，常與變送器配套使用，多用于壓力、流量、液位測量，可作為儀表管排污、排氣、在役校驗和設備更換時的切斷閥，防止放射性含硼水及其他有害氣體泄漏到環境中。核級儀表閥既是切斷閥，又是承壓設備，必須具有較高技術要求和嚴格質保要求[1]。

1 核級儀表閥介紹

現階段已投入商業運行的核電廠中，使用的高溫、高壓核級儀表閥多為國外進口產品，僅有少量國產化。國內在建核電站中以三代壓水堆“華龍一號”為代表，其設計是根據福島核事故經驗反饋以及國內和全球最新安全要求，同時也吸取了以往電站經驗反饋的內容。

1.1 核級儀表閥參數

1.1.1 安全等級

核級儀表閥依據RCC-M設計建造規則A4260節，將第一道關閉閥下游側的儀表管線（其等級為2級和3級的承壓設備）規定為“小型設備”。管閥件遵循RCC-M E卷要求（材料）。儀表的根閥大部分處于常開狀態，無法作為承壓邊界。因此，RCC-M級儀表管閥件的安全等級均為核安全2、3級，其設計、制造要求遵循RCC-M C、D篇。所有儀表管閥件均為抗震1I類。

1.1.2 類別和密封方式

常用的核級儀表閥可分為截止閥、球閥、三閥組截止閥、五閥組截止閥。根據密封方式的類別又可分為波紋管密封和填料密封。

1.1.3 磅級的確認

核級儀表閥用于反應堆冷卻劑或硼酸系統時，該系統的設計壓力為17.2MPa（a），設計溫度不高于343℃。用于二回路系統時，該設計壓力為8.6MPa（a），設計溫度不高于316℃。但部分特殊系統超過上述壓力值，最高26.5MPa。通常情況下儀表閥處可認為溫度低于100℃。根據卡套的安裝位置，可認為溫度低于250℃。因此，參照上述環境條件，大多管閥件不超過1500LB。

1.2 設計研發背景

在華龍一號設計中，考慮了當前核電站現場針對高溫高壓核級儀表閥的經驗反饋。華龍一號新增應急硼注入系統，設計壓力為24MPa，溫度為60℃。某新建核電廠現場在執行柴油發電機和水壓試驗泵無密封注水帶負荷起動和運行試驗規程中，根據運行規程要求啟泵后，RIS011PO會短時憋壓運行10min，此時RIS011PO出口的實際壓力將超過RIS041LP的最大量程25MPa，無法實現RIS011PO出口壓力的監測，對儀表本身也可能造成損壞，需要更換更大量程的壓力表。RIS041LP儀表量程為0～25MPa，為安裝在RIS011PO泵出口處的就地壓力表，用來測量泵出口壓力。

2 設計技術要求

在核電站管閥件設計中，核級儀表閥的磅級基本都不超過1500LB，但對于1.2節中出現的經驗反饋，經過計算得出現場的實際要求1500LB是不滿足要求的。因此，依照經驗反饋中的要求和現場條件，需要設計一種滿足高溫高壓，磅級為2500LB的核級儀表閥。

設計技術要求如下：

1）工藝參數：工作介質為反應堆冷卻劑或硼酸系統，設計壓力為26.5MPa（a），設計溫度不高于150℃。

2）儀表閥為RCCM2級，質保等級為QA2，抗震類別為1Ⅰ類。

3）制造要求：閥門和閥組的閥體應整體鍛造。

4）型式要求：閥門和閥組的手柄應便于操作，閥組建議采用手柄扇形向上的形式；閥門和閥組應確保能夠漸開以防止介質噴射；閥門和閥組應具有上密封結構，波紋管密封形式除外。閥門和閥組本體上應有用于固定閥門的安裝孔。

5）儀表閥規格：SWAGE 3/8"×3/8"OD 2500LB。

6）泄漏要求

◇ 關于外泄漏，閥門應確保不會由閥桿、閥蓋與閥體的密封墊處向環境產生任何泄漏。波紋管密封的閥門，應進行氦氣檢查，保證泄漏率不大于6.5×10-9Pa·m3/s。閥門密封填料不應對閥桿產生腐蝕影響，填料盒在正常擰緊后應具有低磨擦系數及良好的力學特性。

◇ 關于內泄漏，應保證無可見泄漏。

7）抗震要求：閥門和閥組的抗震試驗或分析應符合NB/T 20010.1-2010，滿足運行基準地震動SL1、安全停堆地震動SL2的要求，SL2為3個方向同時作用6g加速度。

8）設計壽命

儀表閥冷態循環中，儀表閥應至少能承受3000次冷態循環次數操作。熱態循環中，儀表閥在運行壓力和150℃下，至少能承受500次循環次數操作，冷、熱態循環次數操作試驗后，儀表閥的功能部件和閥座密封性能應滿足設計要求。

9）帶壓可操作性

儀表閥在最大差壓為15.4MPa的情況下依然能夠正常執行操作動作。

10）閥門附件要求

閥門開關操作應采用手輪或手柄手動進行，手輪或手柄應盡可能小。開啟方向應為逆時針方向。

11）連接方式

閥門和閥組可配備3/8"OD儀表管以用于插套焊或卡套的連接方式，儀表管各項要求應滿足卡套供貨商對儀表管的匹配要求。該儀表管應留有足夠長度，使現場進行儀表管與閥門之間的焊接時不會影響閥門性能，但兩側總長度一般不超過120mm。

12）材料要求：用于制造RCC-M 2、3級儀表管閥件的材料需滿足RCC-M E2000的要求，或采用與RCC-M E2000中所列EN標準等效的ASTM標準或國標。

3 儀表閥設計

3.1 閥門設計

根據現場經驗反饋，并根據第2章核級儀表閥設計技術要求，可知需要設計一種磅級為2500LB的三閥組核級儀表閥，閥體簡圖見圖1。

儀表閥結構設計閥體與閥蓋采用螺紋連接，同時提供足夠的預緊力（無墊片金屬密封），并在密封試驗合格后進行密封焊。閥座密封面為閥體本體材料Z2CND17-12，閥瓣密封面也是本體材料X6CrNiCu17-04。

3.2 波紋管選擇

波紋管是指用可折疊皺紋片沿折疊伸縮方向連接成的管狀彈性敏感元件，波紋管是儀表閥的關鍵部件，關系到整體閥門的密封、壽命和可靠性等性能，簡圖參見圖2。

依據表1閥門參數，對儀表閥波紋管的選擇提出了兩種技術方案，方案對比參見表2。

方案一，根據“JB/T11620-2013核級閥門金屬波紋管”[2]，波紋管耐壓應為38℃時設計壓力的1.25倍，按設計壓力（見20℃的許用壓力）計算，可得出在20℃時CL2300LB波紋管耐壓值為44.16MPa，CL2500LB波紋管耐壓值應為48MPa。因此，波紋管耐壓值按設計壓力的1.25倍來計算是能滿足運行工況下設計壓力和設計溫度的要求。方案二，波紋管在20℃時的耐壓值能滿足要求，閥門也可以滿足設計溫度、設計工況的要求。

表1 閥門主要參數Table 1 Main parameters of valve

圖1 核級儀表閥簡圖Fig.1 Nuclear level instrument valve diagram

圖2 波紋管簡圖Fig.2 Corrugated pipe diagram

表2 波紋管方案對比Table 2 Comparison of corrugated pipe schemes

兩種方案都是可行的，對比分析可知，方案一閥門通常進行的殼體壓力試驗為1.5倍許用壓力，如果按此計算，波紋管耐壓值最好應該為：CL2300LB取52.99MPa，CL2500LB取57.6MPa，否則，在整機試驗時殼體需要單獨試驗。方案二波紋管通用性較強，最大可用在DN20 CL2500儀表閥門上。但閥體寬度要達到95mm左右，造成閥門體積較大，重量較大，約為8kg（方案一的閥門重量約1.3kg），同時管道承載較大，需要的安裝空間也較大。考慮核電站現場條件和施工調試等因素在設計中考慮實行方案一。

3.3 波紋管要求

1）應在CL2500（38.4MPa）下5000次循環壽命試驗。完成循環試驗后進行6.5×10-9/Pa.m3/s氦質譜檢漏。

2）進行不小于0.6MPa氣密試驗，保壓5min，無滲漏。

3）進行50.0MPa@20℃的強度試驗，試驗介質水，保壓10min，波紋管無變形及滲漏現象。

4）波紋管防扭轉設計：采用兩段式閥桿，上閥桿與波紋管組件中的一體式閥瓣（下閥桿）之間采用多組鋼珠連接，盡可能降低摩擦力矩，起到波紋管防扭轉的作用，保證閥門使用壽命。

4 結束語

本文根據核電站現場的經驗反饋，設計一種適用于高溫高壓高磅級核級儀表閥，提出了核級儀表閥設計技術要求，對比分析了兩種波紋管技術方案，為三代核電站儀表閥國產化提供參考。