一、核電主蒸汽隔離閥

　　主蒸汽隔離閥(一般英文縮寫為MSIV，見圖1)位于安全殼外，安裝在壓水堆核電廠二回路主蒸汽系統(tǒng)管道上，是一個(gè)極其重要的閥門，是核電廠的重大關(guān)鍵設(shè)備之一。系統(tǒng)設(shè)計(jì)每條主蒸汽管線安裝一臺(tái)主蒸汽隔離閥，包括閥門本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。部分結(jié)構(gòu)形式的主蒸汽隔離閥還帶有旁路閥，能在主閥開啟前平衡其前后的壓差，并對(duì)主閥的下游管線進(jìn)行暖管。

圖1 主蒸汽隔離閥實(shí)物圖

1、主蒸汽隔離閥的功能

　　1)防止蒸汽發(fā)生器和主蒸汽隔離閥之間某一主蒸汽管道破裂時(shí)安全殼的超壓，并限制由于蒸汽管道或主給水管道破裂而導(dǎo)致主系統(tǒng)的冷卻，使釋放的蒸汽不超過一臺(tái)蒸汽發(fā)生器的水容量。

　　2)任何位置的蒸汽管道或給水管道破裂后，閥門必須能夠迅速截?cái)嗳我环较虻恼羝�流�?/p>

　　3)反應(yīng)堆處于熱停堆狀態(tài)時(shí)，該閥還用來將汽輪機(jī)側(cè)的部分主蒸汽管道與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)隔離開，以便進(jìn)行下游設(shè)備的檢修。

　　按RCC—P2.1.3.3.6節(jié)的要求，被看作能動(dòng)部件的主蒸汽隔離閥必須在其整個(gè)使用壽命期內(nèi)能執(zhí)行其功能。這意味著在正常和不正常的運(yùn)行工況下，它們必須在RPR(反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng))快速關(guān)閥信號(hào)產(chǎn)生后5s內(nèi)關(guān)閉。

2、主蒸汽隔離閥的特性和技術(shù)要求

　　主蒸汽隔離閥雖然只是核二級(jí)設(shè)備，但為了確保閥門在各種可能遇到的工況下完成其設(shè)定的功能，必須具備特殊安全功能的特性，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算上需要滿足一些特殊要求，主要包括如下內(nèi)容。

　　1)無論是主蒸汽隔離閥上游還是下游管線發(fā)生破裂，閥門均能在接到隔離信號(hào)5s內(nèi)自動(dòng)快速安全地關(guān)閉以切斷上游或下游蒸汽流。

　　2)控制系統(tǒng)設(shè)備冗余設(shè)計(jì)，保證在任何情況下其控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)可用。

　　3)可以進(jìn)行在線功能試驗(yàn)(全開位置到90%開度位置，再回到全開位置)。

　　4)全開、全關(guān)和90%開度位置遠(yuǎn)距離指示。

　　5)能進(jìn)行定期泄漏試驗(yàn)。

　　6)設(shè)計(jì)工況條件下3000次循環(huán)壽命。

　　7)閥門自振頻率不小于33Hz。

　　8)任何情況下閥門應(yīng)保證其結(jié)構(gòu)完整性和可操作性。

　　9)設(shè)計(jì)壓力下閥座泄漏率應(yīng)小于0.1cm3/h，每毫米公稱直徑(正向)和設(shè)計(jì)流量的0.005%(反向)。

　　10)閥門及旁路閥的設(shè)計(jì)需符合ASMEBPVIII—1NC3500或RCC—MC3500的要求，但閥體壁厚計(jì)算和應(yīng)力分析需按ASMEBPVIII—1NB3500或RCC—MB3500(核一級(jí))的要求進(jìn)行，同時(shí)緊急工況下，閥蓋和閥體連接法蘭的分析也需按ASMEBPVIII—1NB3500或RCC—MB3500的要求進(jìn)行。

　　11)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)應(yīng)滿足1E級(jí)、IEEE323、IEEE344及IEEE382的要求。

3、主蒸汽隔離閥的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式

　　(1)主蒸汽隔離閥閥體的結(jié)構(gòu)形式閥門的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，能起隔離作用的形式也很多，但目前國際上使用的主蒸汽隔離閥的結(jié)構(gòu)形式則只有有限的幾種，主要是考慮到閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要有足夠的強(qiáng)度和剛度、密封可靠和動(dòng)作可靠、安全、快速。

　　主蒸汽隔離閥的結(jié)構(gòu)形式主要有：作為主蒸汽隔離閥使用的閘閥形式主要是平行雙閘板閘閥和對(duì)稱楔型雙閘板閘閥，這兩種結(jié)構(gòu)的閥門在壓水堆核電廠中有廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是閥板的動(dòng)作方向與流體方向垂直，關(guān)閉力較小;具有雙向密封的功能，密封性能可靠;無論是平行雙閘板閘閥還是對(duì)稱楔型雙閘板閘閥，閥門開關(guān)過程中閥板和閥座的磨損較小;它屬于改進(jìn)型的閘閥，制造成本相對(duì)較低，用戶和制造廠容易接受。其缺點(diǎn)是閥門結(jié)構(gòu)尺寸(主要是高度)較大，控制系統(tǒng)復(fù)雜。主蒸汽隔離閥模型如圖2所示。

圖2 主蒸汽隔離閥模型

　　(2)主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體由四個(gè)氮?dú)赓A存/液壓缸柱及驅(qū)動(dòng)桿等組成。氣室起著儲(chǔ)存能量的作用，其中的氮?dú)庥米鞑粫?huì)失效的關(guān)閥彈簧，對(duì)驅(qū)動(dòng)桿產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉閥門的作用力。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，液壓油被泵到液壓缸中，使驅(qū)動(dòng)桿收縮，壓縮氮?dú)獯鎯?chǔ)能量，此狀態(tài)通過保持液壓缸及油路中的液壓油壓力來維持。一旦釋放油壓，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始起動(dòng)。電磁閥帶電使先導(dǎo)閥開啟，釋放油壓，液壓油釋放回油箱，氮?dú)鈮毫κ跪?qū)動(dòng)桿向下移動(dòng)，主蒸汽隔離閥關(guān)閉。

　　實(shí)際上，僅僅采用液壓裝置是不能滿足主蒸汽隔離閥的所有功能的，因此文中液壓裝置實(shí)際上包含了氣動(dòng)方式，因此應(yīng)該叫液—氣聯(lián)動(dòng)裝置。該液壓裝置一般包括液壓泵、氣體貯罐、液壓缸、活塞和液壓系統(tǒng)組件等部分，貯罐中裝的氣體起到不會(huì)失效的關(guān)閉彈簧的作用，以保證閥門快速關(guān)閉、隔離主蒸汽管系的目的。

　　(3)主蒸汽隔離閥動(dòng)力單元的形式動(dòng)力單元即泵回路，包括油箱、泵、電動(dòng)機(jī)、相關(guān)的干燥裝置及過濾裝置等。

　　(4)主蒸汽隔離閥液壓控制回路形式在執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體兩側(cè)布置著兩個(gè)功能單元，構(gòu)成相似的兩個(gè)但各自獨(dú)立的液壓回路，即A通道和B通道，完成與安全有關(guān)的快關(guān)功能，每一條液壓控制回路都可以完成快速泄油使主蒸汽隔離閥能在5s之內(nèi)迅速關(guān)閉。A通道還包括正常開閥、關(guān)閥回路。

　　(5)主蒸汽隔離閥驅(qū)動(dòng)方式主要包括介質(zhì)驅(qū)動(dòng)、起動(dòng)裝置、液壓裝置。目前國內(nèi)的壓水堆核電廠使用的主蒸汽隔離閥大部分采用液壓裝置這種驅(qū)動(dòng)方式，這也是國際上其他核電站主要采用的驅(qū)動(dòng)方式，另外還有一部分采用介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的方式。主蒸汽隔離閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本上不使用電動(dòng)裝置，主要是因?yàn)殡妱?dòng)裝置是提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，在轉(zhuǎn)化為閥門的直線運(yùn)動(dòng)時(shí)不能保證在5s內(nèi)快速又安全可靠的關(guān)閉閥門，同時(shí)不能很好地解決電動(dòng)機(jī)失電時(shí)閥門的關(guān)閉問題。

二、國產(chǎn)化進(jìn)程

　　主蒸汽隔離閥雖然是核二級(jí)閥門，由于其重要性以及制造的復(fù)雜性，至今國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行機(jī)組及在建機(jī)組均是采購國外產(chǎn)品。目前中核蘇閥科技聯(lián)合上海核工程設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行研制。

1、研制內(nèi)容

　　研制的主要內(nèi)容可以分為以下三個(gè)方面。

　　(1)控制系統(tǒng)的研制由于主蒸汽隔離閥要求具有5s的快速關(guān)閉，因此控制系統(tǒng)是其關(guān)鍵技術(shù)。

　　(2)閥體高質(zhì)量的鑄造或鍛造可由國內(nèi)制造水平較高的閥門廠承擔(dān)，由于閥體體積較大，因此對(duì)其缺陷的檢驗(yàn)是關(guān)鍵。通常主蒸汽隔離閥閥體采用鑄造，因此需要通過無損檢測來保證鑄件質(zhì)量。鑄件內(nèi)部質(zhì)量可以通過X射線檢測并且缺陷不超過Ⅱ級(jí)。表面質(zhì)量可通過液體滲透檢測來保證。

　　(3)功能鑒定試驗(yàn)冷、熱循環(huán)可操作性驗(yàn)證試驗(yàn)和冷熱交變試驗(yàn)、抗震試驗(yàn)：對(duì)于功能鑒定試驗(yàn)，冷、熱循環(huán)可操作性驗(yàn)證試驗(yàn)和冷熱交變試驗(yàn)需要制訂相應(yīng)的試驗(yàn)大綱和程序，并搭建配套的試驗(yàn)設(shè)施。

2、設(shè)計(jì)方面

　　樣機(jī)的模型及實(shí)物如圖3、圖4所示。

圖3 樣機(jī)模型圖

1.閘板2.楔形塊3.閥體4.閥桿5.密封圈6.閥蓋7.夾環(huán)8.支架9.液/氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成了全部設(shè)計(jì)計(jì)算、技術(shù)分析及專家設(shè)計(jì)評(píng)審工作，主要包括以下內(nèi)容：樣機(jī)設(shè)計(jì)說明書、整套圖樣(零件圖、裝配圖)、三維模型、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果報(bào)告、承壓鑄件采購技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、承壓鍛件技術(shù)條件、緊固件技術(shù)條件、承壓鑄件原型件工藝評(píng)定要求、液/氣驅(qū)動(dòng)裝置采購技術(shù)條件、出廠試驗(yàn)大綱、型式試驗(yàn)大綱、試驗(yàn)前檢驗(yàn)大綱、動(dòng)作性能試驗(yàn)大綱、冷循環(huán)試驗(yàn)大綱、熱循環(huán)試驗(yàn)大綱、動(dòng)作壽命試驗(yàn)大綱、中間檢驗(yàn)試驗(yàn)大綱、地震靜載及端部加載試驗(yàn)大綱、試驗(yàn)后檢驗(yàn)大綱、制造質(zhì)量計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告以及使用說明書。

圖4 樣機(jī)實(shí)物

3、樣機(jī)完成的工作

　　1)完成圖樣設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，并通過了專家技術(shù)設(shè)計(jì)評(píng)審。

　　2)聯(lián)合上海交通大學(xué)，利用有限元分析的方法完成閥門的抗震分析、沖擊響應(yīng)和密封分析接觸分析、流場分析、傳熱分析、激振及噪聲分析。

　　3)2011年11月26日完成閥門整機(jī)的安裝和調(diào)試，并進(jìn)行了動(dòng)作試驗(yàn)，包括閥門慢開慢關(guān)、快速關(guān)閉和部分行程動(dòng)作、閥門運(yùn)行流暢。

　　4)2011年12月14日完成閥門的出廠試驗(yàn)。包括殼體試驗(yàn)、填料密封試驗(yàn)、倒密封試驗(yàn)和閥座密封試驗(yàn)、所有試驗(yàn)滿足任務(wù)書和試驗(yàn)大綱的要求。

　　5)2011年12月15日完成閥門的動(dòng)作性能試驗(yàn)。其中空載快關(guān)試驗(yàn)時(shí)間為1.68s;各項(xiàng)操作滿足任務(wù)書和試驗(yàn)大綱的要求。冷循環(huán)試驗(yàn)，分別進(jìn)行了最大驅(qū)動(dòng)力和最小驅(qū)動(dòng)力的三次循環(huán)動(dòng)作。

4、核安全局取證情況

　　1)中核蘇閥已經(jīng)向國家核安全局提交了主蒸汽隔離閥設(shè)計(jì)/制造許可證擴(kuò)證申請(qǐng)。

　　2)DN800主蒸汽隔離閥樣機(jī)同時(shí)作為核安全局?jǐn)U證的模擬件。

　　3)已通過核安全局現(xiàn)場檢查。

　　4)機(jī)械科學(xué)研究總院核設(shè)備安全與可靠中心作為主審單位，見證了模擬件的殼體試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、動(dòng)作性能試驗(yàn)和冷循環(huán)試驗(yàn)。

三、結(jié)語

　　主蒸汽隔離閥是核電設(shè)備十分關(guān)鍵的主要設(shè)備之一，與核安全直接相關(guān)。目前國內(nèi)已運(yùn)行機(jī)組和在建機(jī)組全部采用進(jìn)口設(shè)備。高端進(jìn)口閥門的較長供貨周期以及高昂的價(jià)格已經(jīng)成為制約我國核電發(fā)展的一個(gè)重要因素，因此研制合格的高端閥門已經(jīng)迫在眉睫。高端閥門的國產(chǎn)化既可以提高我國核電裝備的技術(shù)水平，避免在高端核電設(shè)備領(lǐng)域受制于人;又可以降低核電設(shè)備采購費(fèi)，降低成本。主蒸汽隔離閥的國產(chǎn)化勢必提高我國核電裝備技術(shù)水平，降低核電設(shè)備采購成本，縮短設(shè)備供應(yīng)時(shí)間。