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核电阀门发展技术要求与市场前景综述
日期:2013-6-17  文章来源:中国轴承网  阅读次数: 次  [ 关 闭 ]

一.核电阀门发展现状
  核电阀门是核电站中量大面广的水压设备,它连接整个核电站的300余个系统,是核电站安全运行的关键附件。据相关资料统计,全世界现有核电机组500余座,总装机容量达4亿KW以上,其反应堆类型主要有压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)、石墨堆(LGR)、快中子堆(FBR)、高温气冷堆(HTGR)、重水堆(PHWR)。其中,压水堆占整个堆型的50%以上。

  我国从50年代开始研究和应用核动力技术,至今已建成和正在建设多座核电站。自1985年建成的浙江秦山一期核电站,结束了我国大陆无核电的历史以来,我国先后建成了广东大亚湾核电站、秦山二期核电站、秦山三期核电站、广东岭澳核电站、江苏田湾核电站。这些核电站中,广东大亚湾、岭澳和秦山一期、二期、江苏田湾为压水堆型核电站,秦山三期为重水堆型核电站。

  核电阀门,在核电站设备中虽为附件,但至关重要。核电用阀门比常规的大型火力发电站用阀门其技术特点和要求要高。阀类一般有闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀、安全阀、主蒸汽隔离阀、球阀、隔膜阀、减压阀和控制阀等;具有代表性阀门的最高技术参数为:最大口径DN1200mm(核3级的蝶阀)、DN800mm(核2级的主蒸汽隔离阀)、DN350mm(核1级的主回路闸阀);最高压力:约CL1500;最高温度:约350℃;介质:冷却剂(硼化水)等。目前,核电机组用阀主要类型如下:

  1.闸阀:
  a)焊接连接液动双闸板平行式闸阀,公称压力PN17.5MPa,工作温度315℃,公称通径DN350~400mm。
  b)轻水冷却剂一回路上(主要)应用的电动楔式双闸板闸阀,公称压力PN45.0MPa,温度500℃,公称通径DN500mm。
  c)大功率石墨慢化反应堆核电厂一回路上(主要)应用的电动楔式双闸板闸阀,公称压力PN10.0MPa,公称通径DN800mm,工作温度290℃。
  d)汽轮机装置的蒸汽和工艺水管路上(主要)应用焊接连接电动弹性板闸阀,公称压力PN2.5MPa,工作温度200℃,公称通径DN100~800mm。
  e)大功率石墨慢化沸水堆核电厂释热元件换料机用的双闸板带导流孔平行式闸阀,其公称压力PN8.0MPa,开启或关闭阀门只能在压力降为△P≤1.0MPa下进行。
  f)快中子反应堆核动力装置带冷冻固封填料的弹性板闸阀。
  g)水—水动力堆机组用的内压自密封式阀盖楔式双闸板闸阀,公称压力PN16.0MPa,公称通径DN500mm。
  h)行程部件上带蝶形弹簧的楔式双闸板闸阀,中法兰采用螺栓连接,采用密封焊。

  2.截止阀:
  主要用在辅助管线上,介质为中等参数的水和蒸汽,公称通径DN10~350mm,公称压力PN17.2MPa;工作温度T371℃,该阀多为波纹管密封,焊接连接。

  3.蝶阀:
  主要用在核电厂冷却系统中,公称压力PN0.3~2.5MPa以下,工作温度在100~150℃,公称通径DN80~5500mm。
  风道系统中应用快速关闭蝶阀,公称通径DN400~1200mm。

   4.电磁阀:
  公称压力PN4.0MPa,工作温度≤150℃,公称通径DN≤150mm,其优点是动作时间较短、尺寸小、重量轻、可用交、直流电源来操作,动作时间在零点几秒到3秒。

  5.调节阀:
  为了保证核动力装置的自动化,要求使用大量的调节,主要功能是以一定的精度保持流量、压力、温度、水位等这样一些规定被调节的参数。
  调节阀按操纵方式可分为:由外部能源(气动、液动或电动)来操纵的调节阀;靠工作介质本身而无外部能源操纵的调节阀;手动调节阀;直接作用式调节器。按调节介质流量的方式分:单座和双座调节阀、调节闸阀、球形调节阀和蝶形调节阀。在核电厂应用最广的是双座和单座调节阀。
  核电站用调节阀技术参数范围:公称通径DN1.5~500mm;公称压力PN4.1~68.8MPa;工作温度T538℃。

  6.安全阀:
  在核电厂的一回路上,安全阀一般安装在容积补偿器上,除了一回路的主安全阀外,在冷水反应堆的每个环路被封闭的部分,还安装了通径较小的附加安全阀。
  核电厂主要应用:直接作用式安全阀(全启式和微启式),先导安全阀(公称通径DN600mm,动作压力为1.265MPa),带辅助装置的先导安全阀,防爆膜装置等。
  核电站用安全阀技术参数范围:公称通径DN15~1500mm;公称压力PN2.0~70MPa;工作温度T-253~535℃。

  7.保护阀和分相阀
  保护阀如同安全阀一样,用以防止所在系统发生事故工况,当所在监视的参数超出规定值时自行关闭。
  保护阀可分成自动动作和受控保护装置,自动动作保护阀包括止回阀和切断阀,保护装置由快速切断装置(快速切断阀、闸阀和停汽阀)、敏感元件(反映受控参数的变化并给出执行信号)和驱动机构(气动、液动和电动)所组成。保护阀的结构和闸阀、截止阀相似,但其不同特点是快速动作,其快速动作阀的公称通径可达DN700~800mm。

  8.快速动作闸阀:
  是用来把蒸汽发生器和汽轮机断开,其工作介质为蒸汽,工作压力级为Class600~2500,公称管径为21/2in~30in,工作温度为-29℃~1050℃。壳体材料为WCB、WC6、WC9,连接方式为对焊连接与法兰连接。

  9.分相阀:
  在核动力装置的分相阀中,主要使用的是蒸汽疏水阀,主要用来自动地排除蒸汽管道内的凝结水,通常用敞口向上浮子式蒸汽疏水阀,热动力型圆盘式蒸汽疏水阀和热静力型双金属片式蒸汽疏水阀。
  核电站用疏水阀技术参数范围:公称通径DN25~50mm;公称压力PN6.3~15MPa。

  10.隔膜阀:
  主要用于核电站核岛系统中放射性水蒸气重水,公称通径DN8~500mm。
  该阀在核岛系统中约占所用阀门总数的26.2%。

  11.球阀:
  公称通径DN6~350mm;公称压力PN1.0~14.5MPa;工作温度T-196~500℃。该阀在核岛系统中约占所用阀门总数的12.8%。

  12.止回阀:
  核电用止回阀,包括平衡、角式、Y型和旋启式4中类型,其技术参数范围:公称通径DN15~1500mm;公称压力PN2.0~70MPa ;工作温度T-253~535℃ 。

  13.隔离阀:
  主要用于核电站反应堆冷却水的一回路隔离阀和轻水堆饱和蒸汽的主蒸汽隔离阀。其公称通径DN450~1250mm。

  14.其它:
  如减压阀、紧急切断阀、自动阀等。

  二.国内核电阀门制造存在的问题
  由于国内阀门设计、制造和生产能力低于国外先进水平,加之自动化控制水平的限制,故,在重要的核电阀门技术方面一直未有突破。主要表现在:

  1.设计水平不高
  国内阀门的设计水平与科技发达国家相比,有很大差距。至今,一些主蒸汽隔离阀、大口径安全阀、抗地震控制阀等技术含量高的核电阀门仍未取得重大突破。

  2.制造设备、工艺落后
  国内核电阀门制造设备大多以万能机床为主,产品制造精度偏低,加之,其制造工艺水平落后,例如,锻焊结构时采用的真空电子束焊接工艺和剪切挤压技术都未得到普遍的推广应用,故,制造出来的阀门远不能满足核电装备的运行需求。

  3.驱动执行机构控制水平差
  国内核电阀门配套驱动执行机构,其性能和控制水平只相当于国外二十世纪八十年代水平,其动作灵敏度差,可靠性总体水平落后。
  4.自动化控制能力滞后

  自动化控制能力包括信号采集、信号比较、信号放大、信号返回等一系列控制能力。核电20万千瓦以上的大型机组普遍采用计算机自动控制。而国内核电阀门的计算机水平滞后于发达国家,故,核电系统的阀门自动化控制能力也处于滞后的状态。

  三.核电阀门市场需求

  全世界现有核电机组500余座,我国已建成6座(总装机容量达870万KW)。目前,我国正计划筹建4座——秦山一期扩建两台30万KW机组;秦山二期3、4号机组;三门核电6台百万KW级核电机组;田湾核电站4台百万KW级核电机组。据悉,在2020年之前,我国还将计划在广东深圳岭东、阳江和台山;重庆涪陵;大连等地拟建20余座核电站。

  目前,我国又开始致力于研究国际先进的第三代技术核电机组,该工程已纳入2006年起的国家第十一个五年计划,预计到2020年将建成可商用的原型核反应快堆。第三代压水堆核电技术的安全性相当高,能有效预防和缓解类似切尔诺贝利核电站那样的爆炸泄漏严重事故;同时,该技术缩短了建设周期,18~24个月换一次核原料,延长了机组寿命60年,大大提高了经济性。

  据了解,根据我国能源规划,2020年核电将发展到4千万千瓦,占总装机容量的4%~5%。
  从我国核电机组的发展来看,核电阀门的需求量远高于同容量级的火电站。
  以容量为80万千瓦的核电站为例,通径DN25~1000mm的阀门需求量为8000~10000台,为同类火电站的2~3倍。据统计分析,一座有2套百万KW级核电机组的核电站需各类阀门3万台,按每年有250万KW核电机组建设计算,每年核电阀门的需求量在3.8万余台。据国家“十一·五”规划预测,“十一·五”期间,核电站的阀门需求额将为30亿元,年均需求为6亿元左右。另外,由于核电站花在阀门上的维修费一般占核电站维修总额的50%以上,故,每年核电站花费在阀门上的维修费用约为1.5亿元。由此来看,核电阀门的市场需求量是相当大的。

  四.核电阀门技术要求

  核电阀门,由于其使用工况特殊、复杂、恶劣,加之量大面广,故其要求较高。

  1.核电阀门工作条件:
  核电阀门除了其工况环境错综复杂之外,其输送介质的放射性和温度、压力等级的苛刻性也是很特殊的。
  核电阀门输送的介质主要为:饱和蒸汽、冷凝水、放射性水蒸汽重水、辐照腐蚀物、放射性介质、稀硫酸和碱液、二氧化碳、钠、氦、油、真空等各种流体介质。

  一回路上的大通径阀门工作条件是最复杂的,在现阶段核动力装置上的蒸汽参数比热电厂的蒸汽参数(压力22.5MPa、温度565℃)要低,但核电厂运行条件却复杂得多。在液态金属冷却剂的快中子反应堆装置上,蒸汽参数为最高(汽轮机前的蒸汽温度为600℃,压力为14.0MPa)。

  2.核电阀门常见故障类型
  在核电站系统中运行的阀门,最常见的故障类型有如下四种:
  ①阀杆泄漏
  ②阀座泄漏
  ③执行机构选配过大和关闭力矩过高引起的密封面损坏
  ④外泄漏

  3.核电阀门技术要求
  根据核电阀门运行的实际工况,核电阀门其技术特点和要求比火力发电阀门更高。核电阀门的技术要求除了阀门常规的技术要求外,还要着重考虑介质中杂质的污染、环境温度、运行温度、环境湿度、放射性、直流电源及电压波动、有关地震和振动条件下稳定性的技术要求、安全等级等等。

  ①核电阀门的设计
  a)强度设计
  核电阀门设计中,强度计算是必不可少的。除常规的强度计算、有限元分析和抗震计算分析外,对核安全1级的阀门,还要求进行:一次薄膜应力的极限计算、一次薄膜应力+弯曲应力的极限计算、与回路启——停循环有关的一次加二次应力变化幅度的极限计算、除回路中启——停工况以外的一次加二次应力的变化幅度极限计算、疲劳性能分析。

  b)结构设计
  由于核电系统输送介质大多带有放射性,不允许有任何泄漏,故结构设计中阀门的填料、波纹管、阀座的密封结构设计尤为重要(阀体的形状设计,规定在ASME标准中)。
  国外,填料一般采用多重密封结构、Ω环密封结构和填料层之间夹碟簧的填料箱密封结构。波纹管一般采用组合波纹管密封结构。对重要的高压阀门,阀座采用锻造结构。此外,阀体与管道的连接采用对接或承插焊接结构。

  ②核电阀门的材料
  核电阀门的材料必须具有良好的耐腐蚀、抗辐照、抗冲击和抗晶间腐蚀。一般情况下:
  a)承压零件必须采用ASMEBPVC-Ⅱ-D-1表2A和表2B中的材料要求
  b)阀杆和承压螺栓常采用沉淀硬化钢制造
  c)填料多用石墨纤维、纯石棉或膨胀石墨

  ③核电阀门驱动装置
  核电阀门驱动装置的性能和质量非常重要和关键,必须具有安全操作的可靠性,同时,应能承受温度、压力、湿度、辐照、地震破坏、化学污染及所供电源变化的最大值,而且必须在发生失水故障的情况下,仍能在规定的期限内工作(一般标准为14天)。
  此外,除了驱动装置的电动部件要求用O形密封圈将其与外部环境密封隔离之外,驱动装置的设计者还应考虑核电工况用高压阀门的快速操作问题(一般标准,CL1500的14”以下的阀门,其快速操作时间为10秒)。

  ④核电阀门的试验与检验
  a)核电阀门需进行常规的水压试验——壳体试验、阀瓣强度试验、上密封试验、阀座密封试验、填料密封试验;
  b)对带有执行机构,如电动、气动阀进行抗震试验;
  c)对所有操作形式的阀门进行静压寿命试验;
  d)对一回路的重要阀门还必须经过冷态、热态和LOCA事故(即失水事故)的试验。
  (美国的ASME、日本的JEM等标准,对上述试验及检验作了详细描述,并提供了评定标准。)

  五.核电阀门发展趋势

  1.核电机组发展方向
  据资料分析,在核电站的建设中,机组容量的发展方向,国外主要向130万、140万及150万千瓦方向发展。国内主要向80万、90万及100万方向发展。核电设备将向大型化、高参数、高性能方向发展。

  2.核电阀门发展方向
  随着核工业的发展,核电站设备大型化、高参数、高性能及可靠性、安全性的要求越来越高。这就要求核电阀门也能适应这种发展趋势。

  核电用阀发展的具体类型、参数如下:
  ⑴无填料函的闸阀:
  a液压驱动闸阀。该阀借助自身压力水推动活塞开启或关闭,该阀公称通径:DN350、400mm;工作压力:PN17.5MPa;工作温度:315℃。
  b全封闭型电动闸阀。该阀应采用特制的屏闭式电机,通过浸水工作的内行星减速机构使闸板作启闭运动。该阀公称通径:DN100~800mm;工作压力:PN2.5~45.0MPa;工作温度:200~500℃。
  (注:上述两种无填料函闸阀优点:没有填料密封,避免了外漏点,同时,减少能耗。缺点:结构复杂、造价较高。)

  ⑵截止阀:
  用于辅助管路上的截止阀。
  该阀通常为三种结构,即填料式截止阀、波纹管式截止阀和金属膜片式截止阀。该阀介质为中等参数(中温、中压)的水和蒸汽;公称通径:DN10~150mm。

  ⑶蝶阀:
  用于冷却系统和安全壳内输送空气介质的系统中的蝶阀。该阀通常为三种结构,即同轴直连式衬胶蝶阀、偏心式金属密封蝶阀和双动式(蝶板在回转前先脱开密封面再回转)金属密封蝶阀。该阀公称通径:DN≤2500mm;工作压力:PN<4.0MPa;工作温度:100~150℃。此外,用于风道系统中的快速关闭蝶阀,其公称通径:DN400~1200mm也列为发展的方向。

  ⑷带探测器的先导式安全阀:
  用于核岛系统中的带探测器的先导式安全阀。采用带探测器的先导式安全阀,可以根据压力与弹簧力平衡的敏感关系,来改变位置控制释放和加充介质的两个触点的原理,从结构上避免卡阻问题。该阀采用正作用式带弹簧预紧和波纹管密封的阀瓣结构,可以保证可靠的密封。该阀公称通径:DN600mm;工作压力:PN1.265MPa。

  ⑸止回阀型隔离阀:
  用于蒸汽系统的止回阀型隔离阀,其结构形状类似于升降式止回阀。该阀公称通径:DN64~800mm(21/2in~30in);工作压力:PN1.0~42.0MPa(Class600~2500);工作温度:-29~1050℃。

  ⑹主蒸汽隔离阀
  核岛和常规岛用主蒸汽隔离阀、主给水阀门,其公称通径:DN800mm;公称压力:40.0MPa;温度700℃;
  此外,满足地震要求的安全阀、核燃料提取用的软硬密封高真空电磁阀、上装式核电球阀也是急需开发的核电阀门。

  (注:生产核级阀门产品应严格按照核行业标准EJ、美国ASME、IEEE标准及法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则RCC-M等规定要求。)