核电阀门主要零件设计要求

    1 概述

    核电阀门是指在核电站中核岛（N1） 、常规岛（CI） 和电站辅助设施（BOP）系统中使用的阀门。从安全级别上分为核安全Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和非核级，其中核安全Ⅰ级要求最高。从设计规范等级可分C1级、C2级及C3级。从压力组可分为Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ组。核电阀门在核电站中是使用数量较多的介质输送控制设备，是核电站安全运行中必不可少的重要组成部分。

    2 阀门设计

    2.1 小口径截止阀

    （1）C1级小口径截止阀

    C1级小口径截止阀的阀体和阀盖应设计为整体。阀体和阀盖之间可用密封连接。如无其他特殊规定，焊接应在工厂内完成。阀体和阀盖采用锻件、模锻或轧件焊接结构。截止阀禁止使用铸钢。调节阀使用铸钢要由用户同意。

    压力Ⅰ组和Ⅱ组C1级小口径截止阀阀盖与阀瓣组成的上密封面表面应堆焊硬质合金。压力Ⅲ组阀门的非合金钢阀盖上密封面应堆焊不锈钢。如果阀瓣不是整体设计，则其组成部分应采用焊接组装，以消除通过密封面泄漏的危险。压力Ⅰ组和Ⅱ组阀门阀座和阀瓣的密封面为表面硬质合金堆焊。压力Ⅲ组阀门的密封面除必须是表面硬质合金堆焊的气动截止阀外，其余可以为裸露的不锈钢。阀座可以焊接成型或焊上一个座圈。调节阀的阀座可以与阀套一体。

    C1级小口径截止阀只允许使用滑动阀杆，但使用转动阀杆的金属隔膜阀除外。阀杆应磨光，与填料接触部分的阀杆直径公差应小于0.05mm。阀杆的精加工表面应保证不会由于阀杆与填料之间介质泄漏而产生腐蚀或侵蚀。阀瓣与阀杆可以轻微活动以便对中，但不能在阀杆上自由转动。调节阀的阀瓣应固定在阀杆上。

    （2）C2级小口径截止阀

    C2级小口径截止阀如为隔离阀和手动调节阀其应是整体设计。阀体和阀盖之间可用密封焊接或螺纹连接。如无其他特殊规定，焊接应在工厂内完成。但是，压力级10MPa（600Lb）以下的阀门，允许阀盖用螺栓与带有防止过度压紧垫片密封结构的阀体连接在一起。阀体和阀盖采用锻造、模锻或轧件焊接结构。铸钢可用于第Ⅲ压力组。铸钢用于Ⅰ、Ⅱ压力组的调节阀时，必须经用户同意。

    阀盖与阀瓣组成的上密封面不要求表面堆焊硬质合金。非合金钢阀盖的密封面要堆焊不锈钢。压力Ⅱ组和Ⅲ组阀门的上密封面可直接设在阀杆上。当阀瓣由多个零件组成时，应采用点焊或机械方法装配。压力Ⅰ组和Ⅱ组阀门的阀座和阀瓣密封面为表面堆焊硬质合金。压力Ⅲ组阀门的密封面除必须是表面堆焊硬质合金的气动截止阀外，其余的可以为裸露的不锈钢。阀座可以采用焊接成型或焊上一个座圈。调节阀的阀座可以与阀套一体。

    除金属隔膜阀可采用转动阀杆外，只允许采用不转动的阀杆。阀杆表面应无挠度，与填料接触部分的阀杆直径公差应小于0.05mm。阀瓣与阀杆可以轻微活动，以便调节对中，但不能在阀杆上自由转动。

    （3）C3级小口径截止阀

    C3级小口径截止阀的阀体和阀盖采用凹凸式法兰连接，法兰间装有密封垫片用螺栓紧固。如无特殊规定，也可采用非焊接式的螺栓连接。阀体和阀盖允许使用铸钢制造。压力Ⅱ组的阀门可以采用阀杆上密封结构。若上密封面在非整体设计的阀门上，则阀门的组合零件应焊为一体。压力Ⅲ组的阀门不一定要求上密封。压力Ⅰ组和Ⅱ组阀门的阀座和阀瓣密封表面堆焊硬质合金。压力Ⅲ组阀门的密封面除必须是表面堆焊硬质合金的气动截止阀外，其余的可以为裸露的不锈钢。阀座可以焊接成型或焊上一个座圈。调节阀的阀座可以与阀套一体。

    阀杆表面应无挠度，与填料接触部分的阀杆直径公差应小于0.05mm。填料函的内表面应精加工。阀瓣与阀杆可以轻微活动以便调节对中，但不能在阀杆上自由转动。

    2.2 闸阀和大口径截止阀

    （1）C1级阀门

    C1级阀门的阀体可以采用锻钢和铸钢。当承压边界上的焊缝能用射线照相检验时，也可采用锻焊结构。各压力组的闸阀、大口径截止阀和调节阀的阀体和阀盖采用螺栓和压力自密封连接。如果有特殊要求，阀体和阀盖可采用唇式的螺栓密封连接。

    阀盖上密封面应堆焊硬质合金或不锈钢（最小硬度25HRC） 。用于过热蒸汽的阀杆上密封面表面应堆焊硬质合金，也可采用13%～17% Cr不锈钢（最小硬度20HRC）。阀座和阀瓣密封面表面应堆焊硬质合金。

    阀杆应无挠度，表面应研磨，其最大表面粗糙度Ra=0.4μm。与填料接触部分的阀杆直径公差应小于0.1mm。填料函内表面的最大表面粗糙度Ra=1.6μm。

    （2）C2级阀门

    C2级阀门的阀体可以采用锻钢和铸钢制造。当承压边界上的焊缝能用射线照相检验时，也可采用锻焊结构。各压力级阀门阀体与阀盖的连接采用压力自密封和带密封的螺栓连接。压力级5. 0MPa及其以上级别使用凹凸配合面、全嵌入式垫片。如果有要求，阀体和阀盖连接应采用凹凸型的垫片、密封唇式和螺栓固定。阀盖与阀杆上密封面可以表面堆焊硬质合金。非合金钢阀盖的密封面应堆焊不锈钢。

    阀杆应无挠度，表面应研磨，与填料接触部分的阀杆直径公差应小于0.1mm。填料函内表面的粗糙度Ramax=1.6μm。

    密封面的一个表面（阀座或闸板） 堆焊硬质合金。另一个表面在压力级≥6.8MPa（400Lb） 时堆焊硬质合金，压力级≤5.0MPa（300Lb）时堆焊不锈钢。

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    （3）C3级阀门

    C3级阀门的阀体可以采用锻钢、铸钢或轧件焊接制造。阀体和阀盖应采用带密封的螺栓连接。垫片可以是非嵌入式的。阀盖与阀杆上密封面可以堆焊硬质合金。压力级6.8MPa（400Lb） 的阀门密封面应在表面堆焊硬质合金，闸板和阀座的硬度差别较大的压力级5.0MPa（300Lb） 及其以下的阀门密封面应堆焊不锈钢。

    阀杆应无挠度，表面应研磨，与填料接触部分的阀杆直径公差应小于0.1mm，表面粗糙度Ramax=0.8μm。填料函表面粗糙度Ramax=1.6μm。

    2.3 止回阀

    一般情况，小口径截止阀、大口径截止阀和闸阀对阀体和阀盖及其之间连接的规定也分别适用于升降式止回阀和旋启式止回阀。（1）小口径升降式止回阀小口径升降式止回阀阀杆起导向作用的部分应有足够的长度以便阀瓣无阻碍的自由运动。导向机构应有平衡孔，以免产生活塞效应。

    C1类升降式止回阀的阀瓣和阀座密封面应堆焊硬质合金。禁止使用锥形座及锥形对环形座。C2类升降式止回阀压力Ⅰ和Ⅱ组阀门的密封面应有一个面堆焊硬质合金。根据运行条件，非核规范级阀门可用合成橡胶阀座作另一个密封面。压力Ⅲ组阀门不要求表面硬质合金堆焊。合成橡胶阀座可用作一个密封面。如果为分离式的可以焊接。

    （2） 旋启式止回阀

    旋启式止回阀各压力组的C1和C2级阀门及压力Ⅱ组的C3级阀门的阀座和阀瓣表面应堆焊硬质合金。压力Ⅲ组的C3类阀门的密封面应堆焊不锈钢或堆焊硬质合金。无论阀内有无介质，阀瓣应能靠自重回到关闭位置。可能的话，在全开位置时，阀瓣应浸入阀内的介质中。阀瓣与摇杆连接机构应有足够的摆动空间，以保证阀瓣准确回座。阀瓣相对摇杆不能转动。核规范级阀门的摇杆销轴不允许穿透阀体。如果阀座为分离式的，可以焊接。

    2.4 球阀

    一般情况下，球阀应设计成直通式，即阀口不小于所接管横截面80%.大型球体应在上下部导向，禁止使用润滑剂。阀体可采用铸钢、锻钢、轧制或锻制的型材。阀杆应插入球体内，并设有安全装置，防止球与阀杆相对转动。阀杆应与阀体中的导向衬套对中。阀杆起密封作用的表面应研磨，C1和C2级阀门R_amax=0.4μm，C3类阀门R_amax=0.8μm。阀杆密封应采用O形圈。球面表面粗糙度R_amax=0.4μm。阀座应采用合成橡胶。球体的运动应由两个限位装置，一个用于全开位置，另一个用于关闭位置。

    3 通用设计

    3.1 阀门开关

    阀门应满足每天最少4次开关循环，并能承受1500次开关循环，除因润滑、填料的重新压紧、填料异常损坏时的更换和必要时螺栓件重新紧固等原因的计划维护外，阀门应至少连续工作10年。承压壳体部件要求设计寿命为40年。

    3.2 操作压差

    除设备技术规格书中另有规定外，工作温度为室温的非合金钢和奥氏体不锈钢制阀门及工作温度为400℃下的铬合金钢阀门，其操作压差（△P） 应等于最大许用工作压力。

    3.3 手动传动装置

    手动阀门的传动装置应能在压差等于操作压差△P时开关阀门，在全行程中手轮的总操作力不应大于300N，在行程的起止时不大于600N。允许采用减速装置。不论是否采用减速装置，在手动传动装置的切向操作力等于900N时，阀门不应产生永久变形。截止阀的密封面不应有损伤。

    气动阀的备用手动传动装置手轮的总操作力在全行程中不应大于300N，行程起止时不大于600N。

    电动阀的备用手动传动装置应符合《压水堆核电厂阀门电动装置》的规定。

    3.4 压降系数

    当阀门全开时，闸阀和球阀的压降系数（L/D）应＜13，截止阀和三通阀的压降系数应＜140，旋启式止回阀和隔膜阀的压降系数应＜135，调节阀和升降式止回阀的压降系数应＜340。

    3.5 阀门与管道连接

    除另有规定外，阀门与管道连接可采用焊接型、法兰型和螺纹型。

    （1）焊接型

    承插焊用于≤DN25（1in.）的阀门与管道的连接。对接焊用于≥DN25 的阀门与管道的连接。

    （2）法兰型

    法兰应符合ASMEB16.5《管路法兰和法兰管件》的规定。在输送放射性介质的回路上用法兰连接的同时还可能包括密封焊（例如密封唇焊） 。

    （3）螺纹型

    非仪表用气的压缩空气系统可采用螺纹连接。

    3.6 阀杆和填料

    除另有规定外，阀杆的螺纹部分不应与输送流体接触，阀杆与阀杆螺母组件应能自锁。阀杆与填料配合应耐各种腐蚀。填料应满足Q/BU.J1502－93的要求。填料应采用石墨和膨胀石墨制成的圆环成型填料。

    3.7 硬质合金面堆焊

    尽量避免在含12%～17% Cr的不锈钢上堆焊钴基硬质合金。核规范级阀门应符合《核岛机械设备设计建造规则》中S8000《碳钢、低合金钢或合金钢上的耐磨堆焊》的规定。

    3.8 驱动装置

    手轮按顺时针方向旋转时阀门关闭，手轮上应用箭头标出方向及“开”和“关”的字样。

    （1）手动装置

    手动闸阀的设计应允许换装电动驱动机构。对于旋转90°的操作装置，手柄长度与阀门尺寸有关。在开启位置，手柄与介质流动方向相同。为减少失误，手柄应装有防止误操作的装置，以保证其手柄只固定在同一位置上。    

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    （2）电动装置

    在手动和电动都可操作的工况下，应优先使用电动。手轮应从驱动机构中自动脱开。阀杆螺母不应与电动驱动机构一体。应不从阀杆上拆卸螺母就能拆卸电动驱动机构。备用手动操作装置，当设有减速比大于10的齿轮减速装置时，应装转矩开关动作目视指示器。 电动执行机构还应满足EJ/T1022. 11规范，阀门与执行机构的连接应自锁，电机必须防水防尘（防护等级IP55） ，绝缘性能应与运行工况相适应。转矩开关的操作方式应允许两个转向的驱动。转矩开关应是测力计型，并能保证超载时跳闸。截止阀和隔膜阀等必须保证连续可靠的阀瓣密封力。

    平行式闸阀和球阀在正常的关闭过程中，当阀瓣到达指定位置时电动执行机构由限位开关止动。转矩开关只有在限位开关失灵或操作事故发生时才使用。全开由限位开关操作。转矩开关作为备用。楔式闸阀、平行式双闸板闸阀和截止阀在正常关闭过程中，电动执行机构带动阀瓣运动由转矩开关止动，限位开关可作为位置探测器动作。全开由限位开关操作，转矩开关作为备用。

    （3） 气动装置

    气动阀门应有手动操作装置作为备用（有其他规定除外） 。设计应使操作装置的拆卸过程保证介质不向外界泄漏。除非特别指明，所有气动阀门均应设置备用的手动操作机构，而且应具备开启和关闭位置指示、中间位置指示（如果有要求） 、可锁紧在中间位置（如果有要求） 和易于拆卸。

    对于调节阀，制造厂应准备执行机构尺寸报告，其中的所有参数都须经过核实与认可。执行机构上部外壳应可拆卸。 仪表用压缩空气分配系统（SAR） 的压力见阀门采购要求及清单。执行机构应能在阀门清单规定的运行工况下，在气源压力范围内能执行其功能。当阀门承压时，执行机构应能拆卸。通常，除了带有填料压紧装置的调节阀外，执行机构都应在不影响阀杆密封性的前提下设计成可拆型。

    执行机构应具备储存能量的特性，使阀门在失去气源或电源的情况下能够回复到故障－安全位置 开或关） ，故障－ 安全位置由阀门采购要求及清单确定。本系统应使阀门在最大压差及特殊环境条件下，能够保持在故障－安全位置。

    3.9 位置指示器

    所有阀门应设有清晰的开和关位置指示标记。所有电动阀门应装设阀瓣位置目视指示器。对于平行式闸阀，阀门回座应在关位置。阀杆限位开关应有指示和控制功能的电触点。电动阀门限位开关的要求应符合《压水堆核电厂阀门电动装置》的规定。

    3.10 填料函引漏

    为保证核规范级阀门阀杆处的密封性，应采用双填料中间引漏环和引漏接管的结构（有特殊规定除外）。引漏管应为10cm长，21.3mm×2.77mm的平直管。

    3.11 其他装置

    除电动阀门外，所有的隔离阀都应有锁定装置，以便阀门能锁定在开或关的位置。

    楔式闸阀应设计防止阀杆在阀体内转动装置，以免损伤密封面。

    在承压边界内的螺栓要设计机械锁紧装置。

    3.12 阀门零部件材料

    如果阀体是不锈钢，则与输送介质接触的其余部件也应采用不锈钢。

    3.13 互换性

    同类型阀门的所有相同零件应可彼此互换。

    3.14 搬运

    重量大于30kg的阀门应有吊耳，或在图中指明搬运时起吊位置。

    4 结语

    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和水力发电阀门严格。核电阀门的技术要求及制造工艺除按照常规阀门的技术要求外，还要进行有限元分析和抗震计算分析，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和填料函防泄漏结构设计等，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及安全等级等等。