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核电阀门的试验鉴定

1 介绍

近来二代加压水堆核电站核岛共有调节阀12000余台(含2个机组、不包括仪表阀),其中的核级阀门6200余台应根据规范要求进行鉴定,鉴定方法有试验鉴定、分析鉴定、分析与试验相结合,本文主要讨论按ASME QME-1:2002对能动阀门进行试验鉴定的细节。能动阀门是指在关闭反应堆至冷停堆状态的过程中或在减轻假想事件后果方面,即在完成系统安全功能的过程中,必须完成机械动作,以执行规定的安全功能。非能动阀门则指在完成系统安全功能的过程中,仅必须保持压力边界的完整性,而不需要执行机械动作的阀门。因此不是所有的核级阀门都是能动阀门,如稳压器喷雾阀虽然是核一级阀门,但却是非能动阀门。本文核级指按相应核电规范如ASMEIII或RCC-M制造的规范等级,与核安全等级有所区别。

2 能动动力驱动阀门的鉴定试验

ASME QME-1详细规定了能动动力驱动阀门、能动止回阀、能动卸压阀的鉴定试验项目、顺序和细节。本文仅讨论能动动力驱动阀门、能动止回阀的鉴定试验。

2.1 标准要求的鉴定试验项目及顺序

ASME QME-1QVP-7320.1规定了能动动力驱动阀门的试验项目及顺序。

试验前检验 QVP-7331.1

基频测定 QVP-7340.1

环境与老化模拟 QVP-7350

中间检验 QVP-7332.1

循环试验 QVP-7361.1(冷循环)和QVP-7362.1(热循环)

中间检验 QVP-7332.1

端部加载试验 QVP-7370.1

中间检验 QVP-7332.1

地震试验 QVP-7380.1

中间检验 QVP-7332.1

流体阻断试验 QVP-7390.1

试验后检验 QVP-7333.1

在以上的试验顺序中,某些试验可以编组进行或改变其顺序。对于上面的试验顺序允许适当调整,如基频试验可与地震试验合并进行,端部加载试验可与地震试验合并进行[参见QVP-7370.1(c)],要求满足QVC-7000条款的附加试验可在以上试验顺序的任一处施行。

2.2 动作寿命试验

能动动力驱动阀门的试验项目中没有包含技术规范书要求的2000次循环(或更多循环次数)的动作寿命试验,根据多年的核电阀门鉴定试验的实践证明,模拟实际工况的动作寿命试验对所有的阀门类型(闸阀、截止阀、止回阀、球阀蝶阀隔膜调节阀等)都是一个严格的考验。在较早期的试验中,大部分阀门在动作寿命试验中都会出现不同程度的问题,这种现象在近两年有所改善。在结构设计中只要充分考虑循环动作的特定要求、高温高压下结构件的应力和变形影响等,一般就能通过动作寿命试验的考核。因此,目前国内一般都要求核电阀门应进行模拟工况下的动作寿命试验。

2.3 环境与老化模拟

环境与老化模拟的主要对象为非金属材料、阀门驱动装置和电气附件,如热老化、辐照老化、机械磨损老化和LOCA等。而阀门作为机械设备,非金属材料的使用有填料、垫片和软密封阀座等。

目前国内外针对填料、垫片、电动执行机构、气动执行机构及电气附件都有单独的经过鉴定的生产厂家。因此,一般要求核电阀门的填料、垫片、阀门驱动装置和电气附件等选择这些通过鉴定的生产厂家,而不要求随同阀门样机一起进行环境与老化模拟的鉴定试验。阀门样机所配填料、垫片、阀门驱动装置和电气附件,应提供其样机的所有鉴定试验报告和鉴定证书。

目前有争议的是球阀及隔膜阀等阀门中的软密封阀座和隔膜等材料的鉴定,针对这些商用化材料,生产厂家一般无法提供环境与老化模拟的鉴定试验报告,而要求这些零件装配于阀门整体,然后由阀门制造厂家进行环境与老化模拟的鉴定试验,显然也是不太现实。目前各方都认可的解决方案是,针对辐照老化,一般是由阀门制造厂家从供方获取非金属材料的试片送有资质机构进行耐辐照试验,当然在与设计院、业主沟通的情况下可直接选择有相应耐辐照数量级的非金属材料,如EPDM在1×105Gy,Fs-40在1×106Gy,PEEK在1×107 Gy。针对热老化和磨损老化,非金属材料制成的零件随同阀门样机一起进行模拟热态工况下的动作寿命试验。

2.4 热冲击试验

ASME QME-1未包含目前国内设计院要求的热冲击试验,有的设计院要求仅对核一级阀门进行热冲击试验,有的要求核一级、核二级、核三级阀门 都要求进行热冲击试验,各个设计院对热冲击试验的次数也有不同的规定,有规定5次、也有规定10次的。但总的来说,热冲击试验是目前所要求的,是必须列入鉴定试验项目中的。

2.5 流量系数或流量特性测试

因为在通常情况下,流量系数或流量特性测试不是与安全相关的功能,故ASME QME-1没有将其列入鉴定试验项目,但从对一个阀门整体性能的评估,目前都要求对样机进行流量系数或流量特性测试。对于调节阀或某些对流通能力有特殊要求的阀门,包括样机或产品都应进行流量系数或流量特性测试。

2.6 建议的鉴定试验项目及顺序

目前国内核电阀门样机的鉴定试验一般是按4类进行。

①厂家自身能完成的试验项目(试验前、冷循环、试验后)。

②热态试验(热循环、热冲击、动作寿命试验、流体阻断)。

③地震试验(含基频测定、端部加载、地震试验)。

④流量系数或流量特性测试。考虑到每一类的试验一般尽量在同一个试验室完成,因此,给出实践中的鉴定试验项目及顺序。

①试验前检验。

②冷循环试验。

③中间检验。

④热循环试验、热态动作寿命试验2000次、热冲击试验、流体阻断试验(每一项试验完成后、动作寿命试验期间定期均在试验装置上不拆卸阀门的情况下进行在线检漏、初步评估阀门密封的情况)。

⑤中间检验。

⑥基频测定、端部加载试验、地震试验(注意端部加载试验应在地震试验之前完成)。

⑦试验后检验。

⑧流量系数Cv值或流量特性测试。按试验顺序及ASME QME-1的规定,应最后进行的流体阻断性能试验被提前到了热循环试验阶段。

其中关于流量系数Cv值或流量特性测试,其试验顺序可以任意调整,且在确保相同结构、获得相同的测试数据的前提下,不一定必须要使用同一台样机进行试验。但其他的所有试验项目都必须是在同一台样机上完成。国外有的公司鉴定试验做了很多,但却都是在不同的样机上进行的。

3 能动自驱动止回阀的鉴定试验

3.1 标准要求的鉴定试验项目及顺序

ASME QME-1 QVP-7320.2规定了试验项目及顺序。

试验前检验 QVP-7331.2

环境与老化模拟 QVP-7350

中间检验 QVP-7332.2

端部加载试验 QVP-7370.2

中间检验 QVP-7332.2

流体阻断试验 QVP-7390.2(包括逆流试验、阀瓣对阀座的楔形锁紧评估试验和全开阀瓣时流量试验)

试验后检验 QVP-7333.2

但是,以关闭阀瓣或辅助关闭为目的的带有外部重块、弹簧或动力驱动装置的止回阀和以提供在线试验的可操作性为唯一目的的带有外部驱动装置的止回阀,可以通过试验进行鉴定,或通过对阀门在地震事件期间和其后进行分析以确定驱动装置不会降低阀门的功能和可操作性来进行鉴定。

3.2 实践中建议的鉴定试验项目及顺序

基于与第2章同样的原因,给出实践中的鉴定试验项目及顺序。

①试验前检验。

②冷循环试验、热循环试验、热态动作寿命试验2000次、热冲击试验、流体阻断试验(每一项试验完成后及动作寿命试验期间定期均在试验装置上不拆卸阀门的情况下进行在线检漏、初步评估阀门密封的情况)。

③中间检验。

④端部加载试验。

⑤试验后检验。

⑥流量系数Cv值测试。其中关于止回阀的循环试验和动作寿命试验,需在回路中串联一个适当规格的闸阀或截止阀,应通过测试止回阀前、后压差,根据回路流量,来评估止回阀的开启角度。但是对于大口径的止回阀,要保持很大的开启角度是较困难的。

4 地震试验

ASME QME-1规定,当阀门的基频超过33Hz时,允许以静力加载的方法模拟地震载荷进行地震试验。这种静态加载方法,按三个方向的合成加速度的载荷施加于阀门重心位置(施加于其他位置如支架法兰时,要根据等效载荷原则,换算所应施加的载荷),这种考核方法增加了对阀门强度的考核。但这种静态加载方法考核地震对阀门的影响,专家们存有疑问。因此目前国内一般建议在具备条件的前提下,尽可能以动态加载进行地震试验。根据振动台设备的发展趋势,目前已很少采用大型的液压振动台进行阀门的地震试验,而一般采用电动振动台(目前国内设备的最大推力为200kN)。因此,鉴于重量的限制,一般仅DN200以下的阀门采用动态方法进行地震试验,而更大尺寸的阀门只能采用静力加载进行地震试验。目前的动态地震试验一般都是X、Y、Z三个方向分别进行,没有进行合成的动态试验,因此,分别就X、Y、Z三个方向进行地震试验的情况下,应适当提高试验时的地震加速度。

5 振动老化试验

ASME QME-1取消了ANSIB16141要求X、Y、Z三个方向各90min的振动老化试验。目前一般要求按静力加载进行地震试验的阀门应进行振动老化试验,而已进行动态地震试验的阀门则可免做。

6 流体阻断性能试验

ANSI B16141中规定流体阻断性能试验过程中,只要求10%行程内能保持额定压差。而ASME QME-1则要求在100%行程内都保持额定压差,这对于尺寸稍大如DN50的阀门都是很难做到的,更别说大尺寸如DN200的阀门了。因此,建议试验大纲在编制、评审过程中直接规定10%行程,在目前试验装置的限制下,有利于评估阀门的流体阻断性能。同时ASME QME-1未规定阀门进行流体阻断性能试验,因为在实际工况中,很多阀门其实并不要求具备流体阻断性能,ASME QME-1没有区分这些阀门。

7 非能动阀门的鉴定

ASME QME-1仅规定了能动阀门的鉴定细节,没有涉及非能动阀门的鉴定。根据ASME BPVC III或RCC-M的规范设计,阀门满足A、B、C、D使用工况和载荷限制的有关规定,即可认为能确保维持压力边界的完整性。按ASME III和RCC-M建造的阀门不能保证在执行系统安全功能时的机械动作,即使在设计时采用其他的设计准则进行评估,如在D级工况下采用A级准则、或B级准则。因此,对于非能动阀门,只要在设计上满足核电规范如ASME III或RCC-M的要求,即可认为在所有工况下都能确保压力边界的完整,而不必进行样机试验鉴定。

8 覆盖原则

ANSIB16141的扩展原则为①样机压力等级的扩展原则90%~200%。②样机口径的扩展原则50%~200%。ASME QME-1的扩展原则按QVC-7420如下的尺寸区间,从每一个定义的区间的中间位置各选一台阀门进行试验,或者从较低定义区间的邻近中间位置选择一台阀门、从较高定义区间的邻近上端位置选择一台阀门进行试验,即DN100及以下,DN125~500,DN500以上。

ASME QME-1取消了ANSI B16.41关于压力的扩展原则,但要求以最不利条件进行样机的选择和试验。

扩展原则必须符合QVC-7220的设计相似性。满足QVC-7220.1要求的前提下,ASME QME-1允许材料的扩展。

9 结语

按ASME QME-12002版进行核电阀门的鉴定试验时的试验项目、顺序,并根据目前国内核电阀门鉴定的实际要求,结合国内厂家进行型式试验的特点,调整了部分试验顺序,增加和补充了如模拟工况下的动作寿命试验、热冲击试验、流量试验等试验项目,提出了止回阀寿命试验的实施方案,提出了诸如振动试验实施界线、应用于阀门中的非金属材料的鉴定试验方案、较大口径阀门的流体阻断试验的行程和非能动阀门的鉴定方案等建议。

参考文献

[1] ASME QME-1:2002,核电厂能动机械设备的鉴定[S].
[2] ASME第III卷2004,BPVC规范[S].
[3] RCC-M2000(R2002),压水堆核岛机械设备设计和建造规则[S].
[4] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992。
[5] .[美]J.L.莱昂斯.阀门技术手册[M].北京:机械工业出版社,1991.