核電閥門發展工藝要求和市場前景

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核電閥門發展工藝要求和市場前景簡介
核電閥門是核電站中量大面廣的水壓設備,它連接整個核電站的300餘個系統,是核電站安全運行的關鍵附件。據相關資料統計,全世界現有核電機組500餘座,總裝機容量達4億KW以上,其反應堆類型主要有壓水堆(PWR)
核電閥門發展工藝要求和市場前景正文

    

一.核電閥門發展現狀  

              
            核電閥門是核電站中量大面廣的水壓設備,它連接整個核電站的300餘個系統,是核電站安全運行的關鍵附件。據相關資料統計,全世界現有核電機組500餘座,總裝機容量達4億KW以上,其反應堆類型主要有壓水堆(PWR)、沸水堆(BWR)、石墨堆(LGR)、快中子堆(FBR)、高溫氣冷堆(HTGR)、重水堆(PHWR)。其中,壓水堆占整個堆型的50%以上。
              
                
            我國從50年代開始研究和應用核動力技術,至今已建成和正在建設多座核電站。自1985年建成的浙江秦山一期核電站,結束了我國大陸無核電的歷史以來,我國先後建成了廣東大亞灣核電站、秦山二期核電站、秦山三期核電站、廣東嶺澳核電站、江蘇田灣核電站。這些核電站中,廣東大亞灣、嶺澳和秦山一期、二期、江蘇田灣為壓水堆型核電站,秦山三期為重水堆型核電站。
              
                
            核電閥門,在核電站設備中雖為附件,但至關重要。核電用閥門比常規的大型火力發電站用閥門其技術特點和要求要高。閥類一般有閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等;具有代表性閥門的最高技術參數為:最大口徑DN1200
            mm(核3級的蝶閥)、DN800 mm(核2級的主蒸汽隔離閥)、DN350
            mm(核1級的主迴路閘閥);最高壓力:約CL1500;最高溫度:約350℃;介質:冷卻劑(硼化水)等。目前,核電機組用閥主要類型如下:  
            
                1.閘閥:  
                a)焊接連接液動雙閘板平行式閘閥,公稱壓力PN17.5MPa,工作溫度315℃,公稱通徑DN350~400mm。  
                b)輕水冷卻劑一迴路上(主要)應用的電動楔式雙閘板閘閥,公稱壓力PN45.0MPa,溫度500℃,公稱通徑DN500mm。  
                
            c┐蠊β適????從Χ押說緋б換羋飛希ㄖ饕?┯τ玫牡綞?ㄊ剿??逭⒎В??蒲沽?N10.0MPa,公稱通徑DN800mm,工作溫度290℃。
              
                
            d)汽輪機裝置的蒸汽和工藝水管路上(主要)應用焊接連接電動彈性板閘閥,公稱壓力PN2.5MPa,工作溫度200℃,公稱通徑DN100~800mm。
              
                
            e)大功率石墨慢化沸水堆核電廠釋熱元件換料機用的雙閘板帶導流孔平行式閘閥,其公稱壓力PN8.0MPa,開啟或關閉閥門只能在壓力降為△P≤1.0MPa下進行。
              
                f)快中子反應堆核動力裝置帶冷凍固封填料的彈性板閘閥。  
                g)水—水動力堆機組用的內壓自密封式閥蓋楔式雙閘板閘閥,公稱壓力PN16.0MPa,公稱通徑DN500mm。  
                h)行程部件上帶蝶形彈簧的楔式雙閘板閘閥,中法蘭採用螺栓連接,採用密封焊。  
                2.截止閥:    
                主要用在輔助管線上,介質為中等參數的水和蒸汽,公稱通徑DN10~350mm,公稱壓力PN17.2MPa
            ;工作溫度T371℃,該閥多為波紋管密封,焊接連接。  
                3.蝶閥:  
                主要用在核電廠冷卻系統中,公稱壓力PN0.3~2.5MPa以下,工作溫度在100~150℃,公稱通徑DN80~5500mm。


               風道系統中應用快速關閉蝶閥,公稱通徑DN400~1200mm。  
                4.電磁閥:  
                
            公稱壓力PN4.0MPa,工作溫度≤150℃,公稱通徑DN≤150mm,其優點是動作時間較短、尺寸小、重量輕、可用交、直流電源來操作,動作時間在零點幾秒到3秒。
            
                5.調節閥:  
                為了保證核動力裝置的自動化,要求使用大量的調節,主要功能是以一定的精度保持流量、壓力、溫度、水位等這樣一些規定被調節的參數。  
                
            調節閥按操縱方式可分為:由外部能源(氣動、液動或電動)來操縱的調節閥;靠工作介質本身而無外部能源操縱的調節閥;手動調節閥;直接作用式調節器。按調節介質流量的方式分:單座和雙座調節閥、調節閘閥、球形調節閥和蝶形調節閥。在核電廠應用最廣的是雙座和單座調節閥。
            
                核電站用調節閥技術參數範圍:公稱通徑DN1.5~500mm;公稱壓力PN4.1~68.8MPa ;工作溫度T538℃ 。  
                6.安全閥:  
                
            在核電廠的一迴路上,安全閥一般安裝在容積補償器上,除了一迴路的主安全閥外,在冷水反應堆的每個環路被封閉的部分,還安裝了通徑較小的附加安全閥。
            
                
            核電廠主要應用:直接作用式安全閥(全啟式和微啟式),先導安全閥(公稱通徑DN600mm,動作壓力為1.265MPa),帶輔助裝置的先導安全閥,防爆膜裝置等。
            
                核電站用安全閥技術參數範圍:公稱通徑DN15~1500mm;公稱壓力PN2.0~70MPa ;工作溫度T-253~535℃。  
                7.保護閥和分相閥  
                保護閥如同安全閥一樣,用以防止所在系統發生事故工況,當所在監視的參數超出規定值時自行關閉。  
                
            保護閥可分成自動動作和受控保護裝置,自動動作保護閥包括止回閥和切斷閥,保護裝置由快速切斷裝置(快速切斷閥、閘閥和停汽閥)、敏感元件(反映受控參數的變化並給出執行信號)和驅動機構(氣動、液動和電動)所組成。保護閥的結構和閘閥、截止閥相似,但其不同特點是快速動作,其快速動作閥的公稱通徑可達DN700~800mm。
            
                8.快速動作閘閥:  
                是用來把蒸汽發生器和汽輪機斷開,其工作介質為蒸汽,工作壓力級為Class600~2500,公稱管徑為2
            1/2in~30in,工作溫度為-29℃~1050℃。殼體材料為WCB、WC6、WC9,連接方式為對焊連接與法蘭連接。  
                9.分相閥:  
                
            在核動力裝置的分相閥中,主要使用的是蒸汽疏水閥,主要用來自動地排除蒸汽管道內的凝結水,通常用敞口向上浮子式蒸汽疏水閥,熱動力型圓盤式蒸汽疏水閥和熱靜力型雙金屬片式蒸汽疏水閥。
            
                核電站用疏水閥技術參數範圍:公稱通徑DN25~50mm;公稱壓力PN6.3~15MPa 。  
                10.隔膜閥:  
                主要用於核電站核島系統中放射性水蒸氣重水,公稱通徑DN8 ~500mm。
            該閥在核島系統中約佔所用閥門總數的26.2%。  
                11.球閥:  
                公稱通徑DN6 ~350mm;公稱壓力PN1.0~14.5MPa
            ;工作溫度T-196~500℃。該閥在核島系統中約佔所用閥門總數的12.8%。  
                12.止回閥:  
                
            核電用止回閥,包括平衡、角式、Y型和旋啟式4中類型,其技術參數範圍:公稱通徑DN15~1500mm;公稱壓力PN2.0~70MPa
            ;工作溫度T-253~535℃  
                13.隔離閥:  
                主要用於核電站反應堆冷卻水的一迴路隔離閥和輕水堆飽和蒸汽的主蒸汽隔離閥。其公稱通徑DN450 ~1250mm。  
                14.其它:  
                如減壓閥、緊急切斷閥、自動閥等。  
                二.國內核電閥門製造存在的問題  
                
            由於國內閥門設計、製造和生產能力低於國外先進水平,加之自動化控制水平的限制,故,在重要的核電閥門技術方面一直未有突破。主要表現在:  
                1.設計水平不高  
                
            國內閥門的設計水平與科技發達國家相比,有很大差距。至今,一些主蒸汽隔離閥、大口徑安全閥、抗地震控制閥等技術含量高的核電閥門仍未取得重大突破。
            
                2.製造設備、工藝落後  
                
            國內核電閥門製造設備大多以萬能機床為主,產品製造精度偏低,加之,其製造工藝水平落後,例如,鍛焊結構時採用的真空電子束焊接工藝和剪切擠壓技術都未得到普遍的推廣應用,故,製造出來的閥門遠不能滿足核電裝備的運行需求。
            
                3.驅動執行機構控制水平差  
                國內核電閥門配套驅動執行機構,其性能和控制水平只相當於國外二十世紀八十年代水平,其動作靈敏度差,可靠性總體水平落後。  
                4.自動化控制能力滯后  
                
            自動化控制能力包括信號採集、信號比較、信號放大、信號返回等一系列控制能力。核電20萬千瓦以上的大型機組普遍採用計算機自動控制。而國內核電閥門的計算機水平滯後於發達國家,故,核電系統的閥門自動化控制能力也處於滯后的狀態。
            
                三.核電閥門市場需求  
                
            全世界現有核電機組500餘座,我國已建成6座(總裝機容量達870萬KW)。目前,我國正計劃籌建4座——秦山一期擴建兩台30萬KW機組;秦山二期3、4號機組;三門核電6台百萬KW級核電機組;田灣核電站4台百萬KW級核電機組。據悉,在2020年之前,我國還將計劃在廣東深圳嶺東、陽江和台山;重慶涪陵;大連等地擬建20餘座核電站。
            
                
            目前,我國又開始致力於研究國際先進的第三代技術核電機組,該工程已納入2006年起的國家第十一個五年計劃,預計到2020年將建成可商用的原型核反應快堆。第三代壓水堆核電技術的安全性相當高,能有效預防和緩解類似切爾諾貝利核電站那樣的爆炸泄漏嚴重事故;同時,該技術縮短了建設周期,18~24個月換一次核原料,延長了機組壽命60年,大大提高了經濟性。



                據了解,根據我國能源規劃,2020年核電將發展到4千萬千瓦,佔總裝機容量的4%~5%。  
                從我國核電機組的發展來看,核電閥門的需求量遠高於同容量級的火電站。以容量為80萬千瓦的核電站為例,通徑DN25~1000
            mm的閥門需求量為8000~10000台,為同類火電站的2~3倍。據統計分析,一座有2套百萬KW級核電機組的核電站需各類閥門3萬台,按每年有250萬KW核電機組建設計算,每年核電閥門的需求量在3.8萬餘台。據國家「十一·五」規劃預測,「十一·五」期間,核電站的閥門需求額將為30億元,年均需求為6億元左右。另外,由於核電站花在閥門上的維修費一般占核電站維修總額的50%以上,故,每年核電站花費在閥門上的維修費用約為1.5億元。由此來看,核電閥門的市場需求量是相當大的。
            
                四.核電閥門技術要求  
                核電閥門,由於其使用工況特殊、複雜、惡劣,加之量大面廣,故其要求較高。  
                1.核電閥門工作條件:  
                核電閥門除了其工況環境錯綜複雜之外,其輸送介質的放射性和溫度、壓力等級的苛刻性也是很特殊的。  
                
            核電閥門輸送的介質主要為:飽和蒸汽、冷凝水、放射性水蒸汽重水、輻照腐蝕物、放射性介質、稀硫酸和鹼液、二氧化碳、鈉、氦、油、真空等各種流體介質。
            
                
            一迴路上的大通徑閥門工作條件是最複雜的,在現階段核動力裝置上的蒸汽參數比熱電廠的蒸汽參數(壓力22.5MPa、溫度565℃)要低,但核電廠運行條件卻複雜得多。在液態金屬冷卻劑的快中子反應堆裝置上,蒸汽參數為最高(汽輪機前的蒸汽溫度為600℃,壓力為14.0MPa)。
            
                2.核電閥門常見故障類型  
                在核電站系統中運行的閥門,最常見的故障類型有如下四種:  
                ① 閥桿泄漏  
                ② 閥座泄漏  
                ③ 執行機構選配過大和關閉力矩過高引起的密封面損壞  
                ④ 外泄漏  
                3.核電閥門技術要求  
                
            根據核電閥門運行的實際工況,核電閥門其技術特點和要求比火力發電閥門更高。核電閥門的技術要求除了閥門常規的技術要求外,還要著重考慮介質中雜質的污染、環境溫度、運行溫度、環境濕度、放射性、直流電源及電壓波動、有關地震和振動條件下穩定性的技術要求、安全等級等等。
            
                ① 核電閥門的設計  
                a)強度設計  
                
            核電閥門設計中,強度計算是必不可少的。除常規的強度計算、有限元分析和抗震計算分析外,對核安全1級的閥門,還要求進行:一次薄膜應力的極限計算、一次薄膜應力+彎曲應力的極限計算、與迴路啟——停循環有關的一次加二次應力變化幅度的極限計算、除迴路中啟——停工況以外的一次加二次應力的變化幅度極限計算、疲勞性能分析。
            
                b)結構設計  
                
            由於核電系統輸送介質大多帶有放射性,不允許有任何泄漏,故結構設計中閥門的填料、波紋管、閥座的密封結構設計尤為重要(閥體的形狀設計,規定在ASME標準中)。


            國外,填料一般採用多重密封結構、Ω環密封結構和填料層之間夾碟簧的填料箱密封結構。波紋管一般採用組合波紋管密封結構。對重要的高壓閥門,閥座採用鍛造結構。此外,閥體與管道的連接採用對接或承插焊接結構。
            
                ② 核電閥門的材料  
                核電閥門的材料必須具有良好的耐腐蝕、抗輻照、抗衝擊和抗晶間腐蝕。一般情況下:  
                a)  承壓零件必須採用ASME BPVC-Ⅱ-D-1表2A和表2B中的材料要求  
                b)  閥桿和承壓螺栓常採用沉澱硬化鋼製造  
                c)  填料多用石墨纖維、純石棉或膨脹石墨  
                ③ 核電閥門驅動裝置  
                
            核電閥門驅動裝置的性能和質量非常重要和關鍵,必須具有安全操作的可靠性,同時,應能承受溫度、壓力、濕度、輻照、地震破壞、化學污染及所供電源變化的最大值,而且必須在發生失水故障的情況下,仍能在規定的期限內工作(一般標準為14天)。
            
                
            此外,除了驅動裝置的電動部件要求用O形密封圈將其與外部環境密封隔離之外,驅動裝置的設計者還應考慮核電工況用高壓閥門的快速操作問題(一般標準,CL1500的14」
            以下的閥門,其快速操作時間為10秒)。  
                ④ 核電閥門的試驗與檢驗  
                a)核電閥門需進行常規的水壓試驗——殼體試驗、閥瓣強度試驗、上密封試驗、閥座密封試驗、填料密封試驗;  
                b)對帶有執行機構,如電動、氣動閥進行抗震試驗;  
                c)對所有操作形式的閥門進行靜壓壽命試驗;  
                d)對一迴路的重要閥門還必須經過冷態、熱態和LOCA事故(即失水事故)的試驗。  
                (美國的ASME、日本的JEM等標準,對上述試驗及檢驗作了詳細描述,並提供了評定標準。)  
                五.核電閥門發展趨勢  
                1.核電機組發展方向  
                
            據資料分析,在核電站的建設中,機組容量的發展方向,國外主要向130萬、140萬及150萬千瓦方向發展。國內主要向80萬、90萬及100萬方向發展。核電設備將向大型化、高參數、高性能方向發展。
            
                2.核電閥門發展方向  
                隨著核工業的發展,核電站設備大型化、高參數、高性能及可靠性、安全性的要求越來越高。這就要求核電閥門也能適應這種發展趨勢。  
                核電用閥發展的具體類型、參數如下:  
                ⑴ 無填料函的閘閥:  
                a 液壓驅動閘閥。該閥藉助自身壓力水推動活塞開啟或關閉,該閥公稱通徑:DN350、400
            mm;工作壓力:PN17.5MPa;工作溫度:315℃。  
                b 全封閉型電動閘閥。該閥應採用特製的屏閉式電機,通過浸水工作的內行星減速機構使閘板作啟閉運動。該閥公稱通徑:DN100~800
            mm;工作壓力:PN2.5~45.0MPa;工作溫度:200~500℃。


                (註:上述兩種無填料函閘閥優點:沒有填料密封,避免了外漏點,同時,減少能耗。缺點:結構複雜、造價較高。)  
                ⑵ 截止閥:  
                
            用於輔助管路上的截止閥。該閥通常為三種結構,即填料式截止閥、波紋管式截止閥和金屬膜片式截止閥。該閥介質為中等參數(中溫、中壓)的水和蒸汽;公稱通徑:DN10~150
            mm。  
                ⑶ 蝶閥:  
                
            用於冷卻系統和安全殼內輸送空氣介質的系統中的蝶閥。該閥通常為三種結構,即同軸直連式襯膠蝶閥、偏心式金屬密封蝶閥和雙動式(蝶板在迴轉前先脫開密封面再迴轉)金屬密封蝶閥。該閥公稱通徑:DN≤2500
            mm;工作壓力:PN<4.0MPa;工作溫度:100~150℃。此外,用於風道系統中的快速關閉蝶閥,其公稱通徑:DN400~1200
            mm也列為發展的方向。  
                ⑷ 帶探測器的先導式安全閥:  
                
            用於核島系統中的帶探測器的先導式安全閥。採用帶探測器的先導式安全閥,可以根據壓力與彈簧力平衡的敏感關係,來改變位置控制釋放和加充介質的兩個觸點的原理,從結構上避免卡阻問題。該閥採用正作用式帶彈簧預緊和波紋管密封的閥瓣結構,可以保證可靠的密封。該閥公稱通徑:DN600
            mm;工作壓力:PN1.265MPa。  
                ⑸ 止回閥型隔離閥:  
                
            用於蒸汽系統的止回閥型隔離閥,其結構形狀類似於升降式止回閥。該閥公稱通徑:DN64~800mm(21/2in~30in);工作壓力:PN1.0~42.0MPa(Class600~2500);工作溫度:-29~1050℃。
            
                ⑹ 主蒸汽隔離閥  
                核島和常規島用主蒸汽隔離閥、主給水閥門,其公稱通徑:DN800 mm;公稱壓力:40.0MPa;溫度700℃;  
                此外,滿足地震要求的安全閥、核燃料提取用的軟硬密封高真空電磁閥、上裝式核電球閥也是急需開發的核電閥門。  
                
            (註:生產核級閥門產品應嚴格按照核行業標準EJ、美國ASME、IEEE標準及法國壓水堆核島機械設備設計和建造規則RCC-M等規定要求。)

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