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)計每條主蒸汽管線安裝一臺主蒸汽隔離閥，包括閥門本體、執(zhí)行機構(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，并對主閥的下游管線進行暖管。

圖1 主蒸汽隔離閥實物圖

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斷任一方向的蒸汽流。

　　3)反應(yīng)堆處于熱停堆狀態(tài)時，該閥還用來將汽輪機側(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，被看作能動部件的主蒸汽隔離閥必須在其整個使用壽命期內(nèi)能執(zhí)行其功能。這意味著在正常和不正常的運行工況下，它們必須在RPR(反應(yīng)堆保護系統(tǒng))快速關(guān)閥信號產(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，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)計計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5s內(nèi)自動快速安全地關(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，保證在任何情況下其控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)可用。

　　3)可以進行在線功能試驗(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%開度位置遠距離指示。

　　5)能進行定期泄漏試驗。

　　6)設(shè)計工況條件下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)計流量的0.005%(反向)。

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

　　11)閥門的執(zhí)行機構(gòu)及控制系統(tǒng)應(yīng)滿足1E級、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)計需要有足夠的強度和剛度、密封可靠和動作可靠、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。其特點是閥板的動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;它屬于改進型的閘閥，制造成本相對較低，用戶和制造廠容易接受。其缺點是閥門結(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)行機構(gòu)控制原理執(zhí)行機構(gòu)本體由四個氮氣貯存/液壓缸柱及驅(qū)動桿等組成。氣室起著儲存能量的作用，其中的氮氣用作不會失效的關(guān)閥彈簧，對驅(qū)動桿產(chǎn)生一個關(guān)閉閥門的作用力。電動機起動，液壓油被泵到液壓缸中，使驅(qū)動桿收縮，壓縮氮氣存儲能量，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)行機構(gòu)開始起動。電磁閥帶電使先導(dǎo)閥開啟，釋放油壓，液壓油釋放回油箱，氮氣壓力使驅(qū)動桿向下移動，主蒸汽隔離閥關(guān)閉。

　　實際上，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際上包含了氣動方式，因此應(yīng)該叫液—氣聯(lián)動裝置。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)主蒸汽隔離閥動力單元的形式動力單元即泵回路，包括油箱、泵、電動機、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)行機構(gòu)本體兩側(cè)布置著兩個功能單元，構(gòu)成相似的兩個但各自獨立的液壓回路，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)動方式主要包括介質(zhì)驅(qū)動、起動裝置、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)動方式，這也是國際上其他核電站主要采用的驅(qū)動方式，另外還有一部分采用介質(zhì)驅(qū)動的方式。主蒸汽隔離閥的執(zhí)行機構(gòu)基本上不使用電動裝置，主要是因為電動裝置是提供旋轉(zhuǎn)運行，在轉(zhuǎn)化為閥門的直線運動時不能保證在5s內(nèi)快速又安全可靠的關(guān)閉閥門，同時不能很好地解決電動機失電時閥門的關(guān)閉問題。

二、國產(chǎn)化進程

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

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，因此對其缺陷的檢驗是關(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。表面質(zhì)量可通過液體滲透檢測來保證。

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

2、設(shè)計方面

　　樣機的模型及實物如圖3、圖4所示。

圖3 樣機模型圖

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)動機構(gòu)

　　根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成了全部設(shè)計計算、技術(shù)分析及專家設(shè)計評審工作，主要包括以下內(nèi)容：樣機設(shè)計說明書、整套圖樣(零件圖、裝配圖)、三維模型、設(shè)計計算書、設(shè)計計算結(jié)果報告、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定要求、液/氣驅(qū)動裝置采購技術(shù)條件、出廠試驗大綱、型式試驗大綱、試驗前檢驗大綱、動作性能試驗大綱、冷循環(huán)試驗大綱、熱循環(huán)試驗大綱、動作壽命試驗大綱、中間檢驗試驗大綱、地震靜載及端部加載試驗大綱、試驗后檢驗大綱、制造質(zhì)量計劃、標(biāo)準(zhǔn)化審查報告以及使用說明書。

圖4 樣機實物

3、樣機完成的工作

　　1)完成圖樣設(shè)計和分析計算，并通過了專家技術(shù)設(shè)計評審。

　　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日完成閥門整機的安裝和調(diào)試，并進行了動作試驗，包括閥門慢開慢關(guān)、快速關(guān)閉和部分行程動作、閥門運行流暢。

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

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

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/制造許可證擴證申請。

　　2)DN800主蒸汽隔離閥樣機同時作為核安全局?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、密封試驗、動作性能試驗和冷循環(huán)試驗。

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)已運行機組和在建機組全部采用進口設(shè)備。高端進口閥門的較長供貨周期以及高昂的價格已經(jīng)成為制約我國核電發(fā)展的一個重要因素，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，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)時間。