核电阀门技术现状及发展方向分析

核电阀门技术现状及发展方向分析

冯唯一王洪

（福建福清核电有限公司350318）

摘要：主要研究核电阀门技术现状与发展方向，介绍了核反应堆的结构与类型以及核电阀门的性能要求，在此基础上对核电阀门技术现状以及发展方向进行了探讨。

关键词：核电阀门技术；现状；发展

核电有着高效、环保和节能等优势，得到了各国青睐，我国掌握完整的核发电技术，但是在整个电力结构中占有比例不高，为了解决能源紧张问题，有必要进一步发展核电，而核电机组中使用阀门数量很大，作为机组关键元器件，直接影响机组运行安全，研究核电阀门技术现状与发展方向十分必要。

一、核电阀门技术

（一）核反应堆

核电站基本结构包括反应堆、一次回路、二次回路和其他辅助系统，一次回路是转变核能为其他介质热能的装置，有一次回路循环泵、稳压罐、蒸汽发生器管道等结构，二次回路为蒸汽机、发电机、循环泵等发电设备。核电站使用铀等放射性材料链式裂变产生高温，经热交换由热蒸汽推动汽轮机发电。现阶段已经投产核电站主要有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆等几种堆型，压水堆与沸水堆应用最为广泛。

（二）核电阀门

核电站使用阀门数量很大，包括闸阀、截止阀、单向阀、安全阀、球阀、主蒸汽阀等关键零部件，技术参数主要有介质、口径、工作压力、最高温度等，百万千瓦级机组压水堆核电站需要使用阀门超过3万个，其中截止阀、隔膜阀最多。堆型不同，核电阀门使用的慢化剂、冷却剂介质也有所不同，回路循环系统核电阀门应该满足不同堆型的各种特殊要求。第四代国际核能论坛的第四代核能系统国际热核实验反应堆计划中选定了超临界水冷堆、超高温气冷堆、熔盐堆等几种堆型作为第四代核反应堆，其中超临界水冷堆热效率高达45%，省去汽水分离、再循环过程，超高温气冷堆出口氮气温度上升到100℃，发电效率达50%。此外，受控热控聚变堆、磁约束聚变堆等新兴核电技术的出现，也对核电阀门性能提出了新的要求，一定程度上影响了核电阀门技术的发展。

（三）技术要求

核电阀门工作环境更加恶劣，对安全性要求比火电厂高，设计中需重点关注耐热、稳定性、耐蚀、抗震和抗放射性等性能要求。

1、密封

热介质长期处于辐射环境，有放射性，高温高压工作介质不能泄露，因此核电阀门的动静密封等级要求非常高。阀杆密封需使用波纹管密封、填料密封或波纹管填料密封，如图1，必要时可以使用引漏管将泄露介质引入其他安全容器。核岛区阀门多使用法兰连接，低参数密封使用聚四氟乙烯、橡胶石棉板垫片，高参数小口径无垫片连接，大口径使用石棉金属垫片密封，更高要求选择金属垫片，或者焊接薄片密封。

2、耐蚀

核岛区阀门要有较高抗辐射性能，使用特殊材质，满足耐腐蚀、辐射、磨损和擦伤，多使用马氏体钢、铁素体以及奥氏体钢结构，为方便清洗，结构应尽量简单，内腔尽量光滑。

3、可靠性

核电阀门要能够在高温、高压、振动、冲击、等异常情况下正常启闭，满足系统可靠性、安全性需求，可进行表面渗氮、抛光处理，并在阀门内部设置旁通、旁路结构减轻流体对阀瓣、闸板冲击，减少磨损。

二、核电阀门技术现状及发展方向

（一）技术现状

1、发展现状

（1）国外情况

西方国家的核电技术比较发达，美国、法国等国家核电在总发电量中占据相当大的比例，部分欧洲国家甚至拟定计划淘汰火力发电。但是核电的安全隐患也比较严重，因此核电站建设速度、规模都受到较大限制，尤其是核电站事故，导致核电技术研究一度停滞。

（2）国内发展

我国是核大国，经过多年发展，现有7座核电站投产，截止2015年，核电装机总量1257万千瓦，达到全国总装机量的1%。

2、阀门技术局限性

（1）技术层次不高

我国已经能够生产核电站闸阀、止回阀、蝶阀、隔膜阀等阀门，但是普遍存在技术等级不高、性能一般的问题，高密封性能需求的阀门如主蒸汽隔离阀、大口径安全阀等高技术含量阀门的生产制造工艺尚无突破性进展。

（2）配套装置技术水平低

核电阀门要求能够在事故状态下准确及时执行安全动作，例如主蒸汽隔离阀的打开响应时间仅仅为几秒钟，动作不及时、误操作可能会造成严重的后果，核电阀门对驱动装置等配套装置设备的自动化程度与可靠性要求比较高，但是我国阀门配套驱动与自动化控制系统技术水平不高，控制精度差，难以满足核电阀门性能需求。

（二）发展方向

1、核电机组技术换代

第三代反应堆技术逐渐成熟，第四代反应堆开发研究不断深入，核电逐渐向着大机组、高参数、自动化、智能化的方向发展，设计使用寿命越来越长，机组容量更大，系统运行自动化与现代化程度更高，对核电阀门可靠性、使用寿命的要求越来越高。

2、密封性能不断增强

核电阀门新型密封材料和新的密封技术快速发展，小口径核电阀门逐步实现了零泄漏，大口径阀门、连接管道阀门、阀体阀门盖连接也基本符合无泄漏要求，但是阀座、阀杆密封仍然存在泄漏隐患，近些年关于这部分问题的研究也逐渐增多。

（1）阀杆密封

新型的谐波螺旋传动闸阀、截止阀能够在密闭空间内传递动力与动作，没有动密封，从而实现阀杆零泄漏，这种阀杆形式轴向行程更大，能够减少泄露，同时改善了润滑性能。

（2）阀座密封

通过激光溶覆钴基合金材料，能够显著提升阀板密封面抗擦伤、抗磨损、抗高温冲击与滑动磨损性能，形成致密表层，但是钴在长期辐射照射下会吸收中子，导致长期放射污染，需要寻求其他替代材料，如镍、钼、铜等。

3、驱动机构

核电阀门多采用液驱、电驱等远程驱动模式，其中电驱速度高，满足各种调速要求，故障率低。为满足更高密封性要求，还可以使用屏蔽式电动机，虽然现阶段这种电动机结构复杂价格昂贵，但是有着操控方便、密封性好的优势。

4、新结构

岭澳核电站使用的核岛稳压器安全阀使用了先导阀结构，采用液驱、电驱联合方式，控制可靠，另有一种先导阀加装探测器，借助压力与弹簧力关系控制释放，从而解决了卡阻问题。近些年的核电阀门产品都向电子化、智能化的方向发展，设置配套在线诊断与状态检测系统，这将极大地改变核电阀门产品运行管理方式。

结语：

核电阀门是核电站大量使用的核心设备，研究核电阀门技术发展现状和发展方向，对进一步提高核电阀门的安全性与可靠性有着重要意义。

参考文献：

[1]黄海，张相彬，曹宏涛，李杨.核电阀门的技术现状及发展方向[J].阀门，2015（03）.

[2]王忠诚，沈明启.核电阀门的技术现状及发展方向[J].科技创新与应用，2013（19）.

[3]张永强，余巍，崔红力，刘兴玉.钛合金阀门的应用及其选材[J].流体机械，2013（09）.