核電閥門設(shè)計規(guī)范的相關(guān)探討

陸思雄

摘要：本文主演闡述了核電閥門設(shè)計規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容，從材料、抗震分析等方面進行分析。

關(guān)鍵詞：核電閥門;設(shè)計規(guī)范

中國核電建設(shè)已經(jīng)走過了20余年，先后通過自行設(shè)計開發(fā)和引進國外技術(shù)等多種方式建造了秦山一、大亞、秦山二期、嶺澳一期、秦山三期和田灣等核電站。這些核電站采用了美國、法國、俄羅斯和加拿大等國家的核電規(guī)范。本文主要對核電閥門設(shè)計中應(yīng)用的美、法、俄，三國的核電規(guī)范異同點進行比較和分析。本文討論的規(guī)范及版本號為美國鍋爐和壓力容器規(guī)范第 Ⅲ卷———ASMEⅢ -2004（簡稱 ASMEⅢ，下同）、法國壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則———RCC-M2000版+2002補遺（簡稱 RCC-M，下同 ）和俄羅斯核電閥門設(shè)計制造規(guī)范———OTT-87 （簡稱 OTT-87，下同）。

1 一級設(shè)備

NB-3500 規(guī)定了一級閥門的設(shè)計和應(yīng)力分析規(guī)范。當(dāng)閥門口徑 ≤NPS 4 時 ， 可按 ASME B16.34的方法進行設(shè)計。但應(yīng)注意在殼體壁厚的計算時 ，NB-3500 對閥體基本內(nèi)徑 d m 的定義為臨近焊端區(qū)域的閥體內(nèi)徑較大者 ， 而ASME B16.34 規(guī)定的閥體基本內(nèi)徑為流道的最小直徑 ， 但不得小于閥體端部基本內(nèi)徑的 90%。此內(nèi)徑的定義同樣應(yīng)用于口徑>NPS 4 的一級閥門的殼體壁厚計算中 。兩種定義的區(qū)別意味著按 B16.34 閥體最小壁厚的要求設(shè)計的閥門不能認為就自動符合 NB-3500 要求的閥體最小壁厚。

2 二級設(shè)備和三級設(shè)備

一般情況下，二級和三級設(shè)備用的閥門符合ASME B16.34 的要求， 同時也能滿足 NC-3500 和ND-3500 的要求。承壓件的最大許用應(yīng)力值按ASME BPVC-Ⅱ-D-1 表 1A/表 1B 的規(guī)定選取 ， 承壓螺栓的許用應(yīng)力按 ASME BPVC-Ⅱ-D-1的規(guī)定選取。

3 材料

3.1 承壓件

ASMEⅢ和 RCC-M規(guī)范都規(guī)定對于承壓零部件，其材料應(yīng)滿足規(guī)范要求，只能選擇規(guī)范中允許的材料，并規(guī)定了允許材料的溫度壓力額定值、設(shè)計應(yīng)力強度值和許用應(yīng)力，而對于非承壓零件的材料則沒有強制要求。但 ASMEⅢ和 RCC-M對于承壓零件種類的定義是有區(qū)別的。ASMEⅢ規(guī)定，閥門的閥體、閥蓋、閥瓣和承壓螺栓是承壓零件，而閥座、閥桿、填料和墊片等都屬于非承壓零件，以及對安全閥的閥瓣和噴嘴、控制閥的閥瓣和套筒、進口尺寸≤NPS2的管線閥門的閥瓣等零件可以作為非承壓零件進行設(shè)計和選材。RCC-M規(guī)定，閥體、閥蓋、盲板、閥座、噴嘴、套筒、閥瓣、承壓螺栓/螺母、閥桿、法蘭和配對法蘭是承壓零件。

3.2 閥桿和承壓螺栓

設(shè)計中，由于兩個規(guī)范對于承壓件的不同定義，帶來材料選擇和應(yīng)力計算的不同。核電閥門的閥桿和承壓螺栓越來越多地采用沉淀硬化鋼制造，如 ASMESA-564 （棒材）/SA-705（鍛件）中的630（ 0Cr17Ni4Cu4Nb）以及631（0Cr17Ni7Al） 631不是 ASMEⅢ和 RCC-M規(guī)范允許采用的核級材料， 因此根據(jù)承壓件定義的不同 ， 631可用于 ASMEⅢ核級閥門的閥桿，但不能作為 RCC-M規(guī)范的閥桿材料。630對應(yīng)于 RCC-M規(guī)范的材料牌號為 M5110/X6CrNiCu17 -04（簡稱法標(biāo) 630， 下同 ），但是法標(biāo) 630與國內(nèi)對應(yīng)材料 17 -4PH的化學(xué)成分差異較大， 無法在國內(nèi)直接采購， 而閥桿和承壓螺栓的材料用量有限，且棒材規(guī)格太多，特殊冶煉成本較高，因此一般情況下建議該材料以美標(biāo)或國標(biāo)代用，但僅限于化學(xué)成分，其余機械性能、沖擊和無損檢測等都應(yīng)完全按RCC-M規(guī)范執(zhí)行，這點需要與設(shè)計院和工程公司進行很好的溝通。

3.3 主體部件

RCC-M規(guī)范根據(jù)主體部件對晶間腐蝕的敏感性將材料分為3大類，并對主體材料的選擇進行了規(guī)定。

（1）1組

考慮晶間腐蝕的危險，材料固溶熱處理后，制造過程中要進行焊接、熱加工或熱處理（450℃以上），但隨后不進行固溶熱處理（鑄件的補焊應(yīng)視為等同焊接操作）。此類材料有含鉬或不含鉬的超低碳奧氏體不銹鋼和用鈮或鈦穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，以及超低碳并控制含氮量的含鉬或不含鉬的奧氏體不銹鋼（M228），如控制含氮量的 Z2CN18.10和控制含氮量的 Z2 CND17.12等，及含碳量不大于 0.040%和鐵素體含量（用 Schaef-fler圖測定）為 12% ～ 20%的含鉬或不含鉬的鑄造奧氏體鐵素體不銹鋼（M227），如 Z3CN20.09M和 Z3 CND19.10M。

（2）la組

考慮晶間腐蝕的危險，材料固溶熱處理后，制造過程中只進行焊接，焊縫厚度不超過 3mm。此類材料有 1組用的鋼和低碳奧氏體不銹鋼 Z5 CN18.10和 Z5 CND17.12等 。

（3）2組

考慮晶間腐蝕的危險，材料固溶熱處理后，不進行焊接、熱加工或熱處理（>450℃）。此類材料有l(wèi)組和la組用的鋼及 Z6CN18.10和 Z6 CND17.12等。由于核級閥門一般都是與管道焊接連接，密封面進行堆焊，在 RCC-M規(guī)范中應(yīng)歸為 1組材料。而 ASMEⅢ規(guī)范中沒有類似的材料分組，主體材料可以選擇低碳奧氏體不銹鋼，如 F304或 F316，而該類材料在 RCC-M規(guī)范中一般情況下由于焊接或堆焊等原因是不能采用的。因為 RCC-M比ASMEⅢ更加關(guān)注奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02% ～ 0.03%， 而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（CrFe） 23 C 6 等。

4 抗震計算

有抗震要求的核電閥門都要求能通過抗震計算。對抗震 1A 類 （能動）閥門，要求其在 SL2 發(fā)生時仍能保持壓力邊界的完整性、以及可操作性。

對于抗震 1I 類 （非能動）閥門，僅要求其在 SL2下能保持其壓力邊界的完整性。ASME BPVC-Ⅲ中沒有明確給出抗震計算的細節(jié)。核電閥門通常都要求閥門延伸結(jié)構(gòu)的一階自振頻率>33 Hz （地震的頻率一般 ≤33 Hz），即要求為剛性閥門，并檢驗軸最大偏移量是否符合要求。自振頻率的計算可采用Rayleigh 法。也可采用有限元分析法計算閥門的自振頻率，以便獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

5 結(jié)語

本文概述了核電閥門在設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題，有的章節(jié)如應(yīng)力計算和抗震分析等限于篇幅不能詳細說明，但作為規(guī)則法和等效靜力法的計算準(zhǔn)則和公式均在 ASME BPVC 規(guī)范中有較詳細的說明。同時 ASME BPVC 規(guī)范中有些計算準(zhǔn)則還存在某些爭議，如在計算一級設(shè)備的殼體壁厚時，采用了與 ASME B16.34 不同的基本內(nèi)徑的定義，計算閥體一次應(yīng)力、二次應(yīng)力時采用標(biāo)準(zhǔn)計算壓力而不是設(shè)計壓力進行計算。

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