新型核電工程儀表管閥件設(shè)計與材質(zhì)選型研究

梁超佳,李忠意,王 源,王洪濤,熊國華

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

在以往的核電工程中，關(guān)于儀表管閥件的設(shè)計選型及連接原則并無明確說明。核電儀控設(shè)計人員在新型堆型的儀表管閥件設(shè)計過程中，只能參考在運核電廠的儀表管線安裝圖或咨詢有經(jīng)驗的核電設(shè)計工程師，進(jìn)行參照式設(shè)計。儀表管閥件類型繁多，容易造成新堆型設(shè)計過程中的選型錯誤，增加采購成本及現(xiàn)場增補周期，影響設(shè)計及施工進(jìn)度。隨著三代核電工程的發(fā)展，更多先進(jìn)核電工程具有改進(jìn)的新系統(tǒng)功能，需要對儀表管閥件設(shè)計和材質(zhì)選型進(jìn)行研究，并優(yōu)化管閥件規(guī)格，從而為后續(xù)核電儀表管閥件設(shè)計提供支撐。

通過借鑒二代、三代核電工程的設(shè)計經(jīng)驗，并考慮海邊鹽霧環(huán)境對儀表管閥件的影響，對新型核電工程儀表管閥件設(shè)計原則和材質(zhì)選型進(jìn)行研究。

1 新型核電工程儀表管閥件設(shè)計原則

1.1 儀表管閥件設(shè)計范圍及功能介紹

儀表典型安裝圖如圖1所示。在儀表測量回路中，主要包含儀表管、管件、儀表閥及測量儀表。這些管閥件作為實現(xiàn)儀表測量功能的保障，其設(shè)計及安裝質(zhì)量直接影響儀表測量功能。圖1中：1PL21、1PL11為儀表管；1RL49、1UL07、1TL12、1UL29、1UL20、1CL12為管件；1ML22為儀表閥；I135為測量儀表。

圖1 儀表典型安裝圖

1.2 儀表管閥件等級設(shè)計原則

1.2.1 機械等級和質(zhì)保等級

核電廠在正常運行、事故和災(zāi)害過程中的安全是依靠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件執(zhí)行安全功能來實現(xiàn)的。為了確保儀表功能在相應(yīng)的運行、事故、災(zāi)害期間不被破壞，需要對儀表管閥件進(jìn)行機械等級和質(zhì)量保證等級(簡稱“質(zhì)保等級”)劃分，以確保安全功能。分級目的是確保物項的設(shè)計、制造、建造、調(diào)試和運行有適宜要求，以確保物項在所有預(yù)期的運行工況下有質(zhì)量保證。這會導(dǎo)致以往核電廠對管閥件的機械等級劃分和質(zhì)保等級劃分十分復(fù)雜。在新型核電工程中，需要對儀表管閥件的機械等級和質(zhì)保等級劃分進(jìn)行研究，以實現(xiàn)管閥件優(yōu)化設(shè)計。

新型核電工程管閥件機械等級設(shè)計可參考IAEA SSG-30[1]，質(zhì)保等級設(shè)計參考HAF J0045《質(zhì)量保證分級手冊》[2]。儀表管閥件的機械等級需綜合考慮儀表連接的工藝管道、工藝設(shè)備的屏障等級以及儀表的功能物項等級來確定。新型核電工程的儀表管閥件等級設(shè)計如圖2所示。

由圖2可知，在優(yōu)化管閥件規(guī)格基礎(chǔ)上，新型核電工程儀表管閥件機械等級劃分為ASME-2、ASME-3、NC級，質(zhì)保等級劃分為Q1、Q3、QNC。管閥件等級規(guī)格組合有4種，分別為ASME-2/Q1、ASME-3/Q3、NC/Q3、NC/QNC。出于優(yōu)化管閥件規(guī)格的目的，統(tǒng)一將質(zhì)保等級為Q2的管閥件設(shè)計為Q1。

圖2 儀表管閥件等級設(shè)計

①工藝屏障等級為B-SC1/B-SC2或執(zhí)行安全功能的儀表，其管閥件等級規(guī)定為ASME-2/Q1。

②工藝屏障等級為B-SC3、儀表功能物項為F-SC3/NC，其管閥件等級規(guī)定為ASME-3/Q3。

③工藝無屏障要求、儀表功能物項為F-SC3，其管閥件等級規(guī)定為NC/Q3。

④工藝無屏障要求、儀表不執(zhí)行安全功能，其管閥件等級規(guī)定為NC/QNC。

1.2.2 抗震要求

為了確保核電廠系統(tǒng)、設(shè)備、部件在運行時安全功能可用，或不影響其他安全設(shè)備執(zhí)行安全功能，需對設(shè)備提出抗震要求。新型核電工程儀表管道抗震要求如表1所示。抗震等級設(shè)計同樣需綜合考慮工藝屏障等級及儀表(或系統(tǒng))執(zhí)行的安全功能等級來確定。

表1 抗震要求

①執(zhí)行安全功能的儀表及嚴(yán)重事故下仍需保證測量功能的儀表，儀表管線必須滿足抗震I類要求。

②安全功能為FC3/NC的儀表，若工藝管道屏障等級為B-SC1/B-SC2，則此類工藝管道具有抗震要求。為了防止該類儀表管道對有抗震要求的設(shè)備造成不可接受的影響，儀表管道必須滿足抗震II類要求。其他屏障要求不作抗震要求。

③消防系統(tǒng)儀表由于需要在火災(zāi)/災(zāi)害工況下仍保持可用，應(yīng)滿足抗震I類要求。

1.2.3 特殊情況分析

針對具有重要功能的非安全級儀表，可考慮對該類儀表管閥件等級進(jìn)行特殊分析。

①涉及重要控制的儀表，及影響一回路冷卻劑裝量的系統(tǒng)儀表。管閥件等級確定為：ASME-2，Q1，抗震I類。

②有保證安全功能，或影響其他安全設(shè)備執(zhí)行安全功能的儀表。管閥件等級確定為：ASME-2，Q1，抗震I類。

③為了保證工藝邊界完整性，工藝管道/設(shè)備內(nèi)為放射性介質(zhì)。管閥件等級確定為：ASME-2，Q1，抗震II類。

2 新型核電工程儀表管規(guī)格及連接方式優(yōu)化

2.1 儀表管規(guī)格優(yōu)化方案

2.1.1 現(xiàn)有核電廠儀表管規(guī)格分析

二代核電工程中儀表管設(shè)計思路為：儀表閥前分別有3/8″Tube管和1/4″Pipe管這2種規(guī)格的儀表管，儀表閥后為1/4″Tube管。而三代核電工程中儀表管均統(tǒng)一使用Tube管，有1/4″、3/8″、1/2″等多種規(guī)格。

由于儀表管規(guī)格參數(shù)不統(tǒng)一，導(dǎo)致儀表管接頭繁多，容易造成設(shè)計選型錯誤，增加采購周期，影響施工進(jìn)度[3]。

2.1.2新型核電工程儀表管規(guī)格優(yōu)化

在借鑒二代核電及三代核電工程設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行核電工程儀表管規(guī)格優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化方案為：對于儀表管內(nèi)介質(zhì)為液體的情況，儀表閥前儀表管采用3/8″Tube管，儀表閥后儀表管采用1/4″Tube管。對于儀表管內(nèi)介質(zhì)為氣體的情況，儀表管采用銅管或3/8″Tube管。儀表管規(guī)格如表2所示。

表2 儀表管規(guī)格

表2中，介質(zhì)為氣體的系統(tǒng)指通風(fēng)系統(tǒng)和氣體供應(yīng)系統(tǒng)。

與Pipe管相比，Tube管具有易彎曲成形的特點，能省去彎頭管件。考慮到新型核電工程功能設(shè)計趨于簡化、空間設(shè)計趨于小型化，宜采用易于彎曲成形的Tube管作為儀表管。統(tǒng)一使用Tube管，連接方式只需考慮焊接和套卡連接兩種形式，能省去螺紋連接形式，優(yōu)化管閥件連接形式。通過優(yōu)化儀表管規(guī)格，可達(dá)到簡化管閥件的目的，使管閥件設(shè)計更加標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 管閥件連接方式確定

在統(tǒng)一儀表管規(guī)格為Tube管的基礎(chǔ)上，對儀表管閥件連接方式進(jìn)行確定。基于核電放射性包容要求，針對介質(zhì)有放射性的工藝管道或工藝設(shè)備，或儀表安裝于安全殼內(nèi)、儀表管作為放射性包容的延伸管段，同樣需要考慮可能的放射性外泄。對于儀表閥前的管閥件連接宜采用焊接形式，有效防止放射性介質(zhì)外泄，其他安全殼外且無放射性介質(zhì)的地方均采用卡套連接方式，從而達(dá)到簡化核電儀表管閥件連接方式的目的。管閥件連接方式如表3所示。

表3 管閥件連接方式

3 新型核電工程儀表管閥件材質(zhì)選型分析

在以往核電工程中，儀表管閥件主要的材質(zhì)有不銹鋼SS、碳鋼CS、黃銅BR。核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)(nuclear steam supply system,NSSS)中材質(zhì)均選用不銹鋼SS。核島配套設(shè)施系統(tǒng)(balance of nuclear island,BNI)中材質(zhì)選用不銹鋼SS及碳鋼CS。通風(fēng)系統(tǒng)中，上述3種材質(zhì)均有選用[4]。

新型核電工程對設(shè)備及儀表管閥件有新的耐腐蝕要求，需要考慮造成儀表管閥件腐蝕的因素。經(jīng)過分析，主要腐蝕因素如下。

①海洋大氣鹽霧環(huán)境對管閥件外表面的腐蝕。在海邊的核電廠受到海洋環(huán)境的影響，長期暴露在鹽霧環(huán)境下，主要遭受電化學(xué)腐蝕，即腐蝕管道中的金屬Fe元素。

②海水對儀表管內(nèi)表面的腐蝕。此種腐蝕主要針對管道中介質(zhì)是海水的情況。與海水的直接接觸，可分為靜態(tài)海水接觸和流動海水接觸，可造成電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕。與海水直接接觸的冷源系統(tǒng)和應(yīng)急情況下需使用海水的系統(tǒng)，其管道材質(zhì)均需考慮海水帶來的腐蝕作用。工藝管道應(yīng)考慮流動海水腐蝕，而儀表管應(yīng)考慮靜態(tài)海水腐蝕。

目前，防腐蝕方法主要有以下4種[5-6]。

①選擇耐腐蝕的材質(zhì)。合理選擇耐鹽霧腐蝕或耐海水腐蝕的金屬材質(zhì)，例如不銹鋼、銅鎳合金、雙相不銹鋼、鈦合金等。這些金屬材質(zhì)均具有良好的抗腐蝕性能。

②金屬表面覆蓋保護(hù)層。通過噴、涂、鍍、襯等方法，使被保護(hù)金屬表面形成一層完整、致密的保護(hù)層，將金屬與外界腐蝕環(huán)境隔離開，從而有效防止腐蝕。

③電化學(xué)保護(hù)。電化學(xué)保護(hù)主要有陰極保護(hù)和陽極保護(hù)。對金屬進(jìn)行外加陰極極化，可以降低金屬管路的腐蝕速度，或使金屬表面鈍化，形成一層氧化膜，對金屬進(jìn)行保護(hù)。

④電絕緣隔離。在不同種金屬連接的場合，易發(fā)生兩種金屬間的腐蝕，所以同一儀表的儀表管需統(tǒng)一材質(zhì)，禁止出現(xiàn)兩種不同金屬材質(zhì)相互連接的情況。

考慮到儀表管均為小管徑且管壁薄，不方便進(jìn)行噴涂處理和電化學(xué)保護(hù)處理，所以需要從材質(zhì)選型方面著手，選擇耐腐蝕的金屬材質(zhì)。通過相關(guān)金屬耐海洋環(huán)境腐蝕研究，管道金屬材質(zhì)推薦使用304L不銹鋼、316L不銹鋼、紫銅管、銅鎳合金、雙相不銹鋼和鈦合金等。

不同金屬材質(zhì)在靜態(tài)海水中的腐蝕速度[7]如表4所示。表4中選取了常用金屬。

表4 不同金屬材質(zhì)在靜態(tài)海水中的腐蝕速度

從表4可看出，不銹鋼材質(zhì)對靜態(tài)海水的耐腐蝕性能好，可用于與海水接觸的儀表管。

綜合核電工程應(yīng)用經(jīng)驗及金屬耐海洋環(huán)境腐蝕研究，考慮簡化設(shè)計及降低工程成本，推薦不銹鋼作為儀表管材質(zhì)首選。新型核電工程儀表管閥件的推薦材質(zhì)選型如表5所示。

表5 推薦材質(zhì)選型

對于長期暴露在廠房外的儀表，考慮到鹽霧環(huán)境影響，推薦使用316L不銹鋼或雙相不銹鋼作為儀表管閥件材質(zhì)。

4 結(jié)論

核電工程儀表管閥件規(guī)格種類繁多，且分級復(fù)雜多樣。本文通過優(yōu)化儀表管閥件規(guī)格型號并給出設(shè)計原則,統(tǒng)一材質(zhì),達(dá)到提高新型核電工程設(shè)計效率、縮短現(xiàn)場設(shè)計施工進(jìn)度的目的。針對海洋大氣鹽霧環(huán)境，對管閥件材質(zhì)進(jìn)行耐腐蝕性分析，推薦使用耐腐蝕性能良好的不銹鋼作為儀表管閥件材質(zhì)。這在一定程度上提高了儀表管閥件使用壽命，滿足了核電工程對儀表管閥件可用性、安全性、完整性方面的要求，并保證了儀表測量功能的實現(xiàn)。