核电阀门设计规范的相关探讨

陆思雄

摘要：本文主演阐述了核电阀门设计规范的相关内容，从材料、抗震分析等方面进行分析。

关键词：核电阀门;设计规范

中国核电建设已经走过了20余年，先后通过自行设计开发和引进国外技术等多种方式建造了秦山一、大亚、秦山二期、岭澳一期、秦山三期和田湾等核电站。这些核电站采用了美国、法国、俄罗斯和加拿大等国家的核电规范。本文主要对核电阀门设计中应用的美、法、俄，三国的核电规范异同点进行比较和分析。本文讨论的规范及版本号为美国锅炉和压力容器规范第 Ⅲ卷———ASMEⅢ -2004（简称 ASMEⅢ，下同）、法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则———RCC-M2000版+2002补遗（简称 RCC-M，下同 ）和俄罗斯核电阀门设计制造规范———OTT-87 （简称 OTT-87，下同）。

1 一级设备

NB-3500 规定了一级阀门的设计和应力分析规范。当阀门口径 ≤NPS 4 时 ， 可按 ASME B16.34的方法进行设计。但应注意在壳体壁厚的计算时 ，NB-3500 对阀体基本内径 d m 的定义为临近焊端区域的阀体内径较大者 ， 而ASME B16.34 规定的阀体基本内径为流道的最小直径 ， 但不得小于阀体端部基本内径的 90%。此内径的定义同样应用于口径>NPS 4 的一级阀门的壳体壁厚计算中 。两种定义的区别意味着按 B16.34 阀体最小壁厚的要求设计的阀门不能认为就自动符合 NB-3500 要求的阀体最小壁厚。

2 二级设备和三级设备

一般情况下，二级和三级设备用的阀门符合ASME B16.34 的要求， 同時也能满足 NC-3500 和ND-3500 的要求。承压件的最大许用应力值按ASME BPVC-Ⅱ-D-1 表 1A/表 1B 的规定选取 ， 承压螺栓的许用应力按 ASME BPVC-Ⅱ-D-1的规定选取。

3 材料

3.1 承压件

ASMEⅢ和 RCC-M规范都规定对于承压零部件，其材料应满足规范要求，只能选择规范中允许的材料，并规定了允许材料的温度压力额定值、设计应力强度值和许用应力，而对于非承压零件的材料则没有强制要求。但 ASMEⅢ和 RCC-M对于承压零件种类的定义是有区别的。ASMEⅢ规定，阀门的阀体、阀盖、阀瓣和承压螺栓是承压零件，而阀座、阀杆、填料和垫片等都属于非承压零件，以及对安全阀的阀瓣和喷嘴、控制阀的阀瓣和套筒、进口尺寸≤NPS2的管线阀门的阀瓣等零件可以作为非承压零件进行设计和选材。RCC-M规定，阀体、阀盖、盲板、阀座、喷嘴、套筒、阀瓣、承压螺栓/螺母、阀杆、法兰和配对法兰是承压零件。

3.2 阀杆和承压螺栓

设计中，由于两个规范对于承压件的不同定义，带来材料选择和应力计算的不同。核电阀门的阀杆和承压螺栓越来越多地采用沉淀硬化钢制造，如 ASMESA-564 （棒材）/SA-705（锻件）中的630（ 0Cr17Ni4Cu4Nb）以及631（0Cr17Ni7Al） 631不是 ASMEⅢ和 RCC-M规范允许采用的核级材料， 因此根据承压件定义的不同 ， 631可用于 ASMEⅢ核级阀门的阀杆，但不能作为 RCC-M规范的阀杆材料。630对应于 RCC-M规范的材料牌号为 M5110/X6CrNiCu17 -04（简称法标 630， 下同 ），但是法标 630与国内对应材料 17 -4PH的化学成分差异较大， 无法在国内直接采购， 而阀杆和承压螺栓的材料用量有限，且棒材规格太多，特殊冶炼成本较高，因此一般情况下建议该材料以美标或国标代用，但仅限于化学成分，其余机械性能、冲击和无损检测等都应完全按RCC-M规范执行，这点需要与设计院和工程公司进行很好的沟通。

3.3 主体部件

RCC-M规范根据主体部件对晶间腐蚀的敏感性将材料分为3大类，并对主体材料的选择进行了规定。

（1）1组

考虑晶间腐蚀的危险，材料固溶热处理后，制造过程中要进行焊接、热加工或热处理（450℃以上），但随后不进行固溶热处理（铸件的补焊应视为等同焊接操作）。此类材料有含钼或不含钼的超低碳奥氏体不锈钢和用铌或钛稳定的奥氏体不锈钢，以及超低碳并控制含氮量的含钼或不含钼的奥氏体不锈钢（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%和铁素体含量（用 Schaef-fler图测定）为 12% ～ 20%的含钼或不含钼的铸造奥氏体铁素体不锈钢（M227），如 Z3CN20.09M和 Z3 CND19.10M。

（2）la组

考虑晶间腐蚀的危险，材料固溶热处理后，制造过程中只进行焊接，焊缝厚度不超过 3mm。此类材料有 1组用的钢和低碳奥氏体不锈钢 Z5 CN18.10和 Z5 CND17.12等 。

（3）2组

考虑晶间腐蚀的危险，材料固溶热处理后，不进行焊接、热加工或热处理（>450℃）。此类材料有l组和la组用的钢及 Z6CN18.10和 Z6 CND17.12等。由于核级阀门一般都是与管道焊接连接，密封面进行堆焊，在 RCC-M规范中应归为 1组材料。而 ASMEⅢ规范中没有类似的材料分组，主体材料可以选择低碳奥氏体不锈钢，如 F304或 F316，而该类材料在 RCC-M规范中一般情况下由于焊接或堆焊等原因是不能采用的。因为 RCC-M比ASMEⅢ更加关注奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能。室温时碳在奥氏体中的溶解度很小，约为0.02% ～ 0.03%， 而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值，故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe） 23 C 6 等。

4 抗震计算

有抗震要求的核电阀门都要求能通过抗震计算。对抗震 1A 类 （能动）阀门，要求其在 SL2 发生时仍能保持压力边界的完整性、以及可操作性。

对于抗震 1I 类 （非能动）阀门，仅要求其在 SL2下能保持其压力边界的完整性。ASME BPVC-Ⅲ中没有明确给出抗震计算的细节。核电阀门通常都要求阀门延伸结构的一阶自振频率>33 Hz （地震的频率一般 ≤33 Hz），即要求为刚性阀门，并检验轴最大偏移量是否符合要求。自振频率的计算可采用Rayleigh 法。也可采用有限元分析法计算阀门的自振频率，以便获得更加准确的结果。

5 结语

本文概述了核电阀门在设计中应注意的一些问题，有的章节如应力计算和抗震分析等限于篇幅不能详细说明，但作为规则法和等效静力法的计算准则和公式均在 ASME BPVC 规范中有较详细的说明。同时 ASME BPVC 规范中有些计算准则还存在某些争议，如在计算一级设备的壳体壁厚时，采用了与 ASME B16.34 不同的基本内径的定义，计算阀体一次应力、二次应力时采用标准计算压力而不是设计压力进行计算。

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