​恒立佳创：核电阀门概述

在核电站设备中，阀门虽为配件，却对电站的正常、安全及可靠运行起着至关重要的作用。核电站内阀门用量大、应用广，几乎每个系统都离不开它。以一座拥有两套百万千瓦级机组的压水堆型核电站为例，阀门用量约需 3 万台。阀门投资额只占核电站总投资额的 2% 左右，但每年用于阀门的维修费用却占维修总额的一半以上。主蒸汽隔离阀、稳压器安全阀等重要阀门，以及一回路系统中的各类核级阀门，均直接关系到核电站的安全运行，不容有任何差错。据国际原子能组织（IAEA）的核电站事故案例显示，阀门故障和失效引发的停机、停堆甚至核泄漏事故占比不小，这一问题必须引起阀门行业的高度重视。

一、核电阀门的定义

核电阀门是指应用于核电站核岛（NI）、常规岛（CI）和电站辅助设施（BOP）系统中的阀门。按安全级别可分为核安全 Ⅰ 级、Ⅱ 级、Ⅲ 级和非核级，其中核安全 Ⅰ 级要求比较高。作为核电站中使用数量较多的介质输送控制设备，核电阀门是电站安全运行不可或缺的重要组成部分。

二、核电阀门的技术要求

相较于常规大型火力发电站用阀门，压水堆型核电站阀门的压力和温度等参数虽相对较低，但在技术方面有着更为严苛的要求。

（一）强度和刚度

设计时需确保阀门主要部件能承受持久或瞬时的压力、温度交变下的各类载荷，不出现明显弹塑性变形。除常规强度计算外，还需通过有限元应力分析、抗震计算分析等方法保障阀门可靠性。

（二）密封性

核反应堆一回路系统的输送介质多带有放射性，不允许外泄漏。因此，需在阀门结构设计、密封件（波纹管、膜片等）选用、材料及成品质量检测控制等方面采取严格措施，阀体与管道的连接多采用对接或承插焊接。

（三）使用寿命

核电站建设投资大、成本回收期长，停工一天的经济损失约达上千万元人民币。所以阀门需符合设计规范，尽量减少维修次数、缩短维修周期，一般要求使用寿命为 30-40 年，并需按给定概率验证其完成规定工作循环的能力。

（四）清洁度

核反应堆一回路系统输送的是高纯度硼化水，与介质接触的部件需满足清洁度要求，内腔接触介质的零部件表面需光滑，金属表面粗糙度 Ra<6.3μm。同时，所有与阀门接触的人体、物体、工具和介质等都必须符合相关清洁规程。

（五）安全可靠性

阀门需在正常、异常、危急、事故等各类设计工况下可靠运行，即便遭遇地震或 LOCA 失水事故等情况，也需保持设备的完整性和可操作性，因此样机必须经过各类模拟工况的试验检验。

（六）材料性能

阀门选用的材料需具备良好的耐蚀性、抗辐照性、抗冲击性和抗晶间腐蚀性。主系统多采用低碳或较低碳奥氏体型不锈钢作为主体材料，阀杆、密封面等零件则选用强度、韧性、耐温耐压等性能优越的合金材料。材料需按要求进行各项理化性能和无损探伤检验，非金属密封材料中氯、氟、硫离子含量需严格控制在规范指标以下，避免腐蚀金属基体。

（七）控制装置

事故状态下工作的阀门，其动作的及时性和准确性至关重要，无论是动作不及时还是不准确，都无法满足核电站的保护需求。例如主蒸汽隔离阀要求在几秒钟内打开，因此阀门驱动装置的性能和质量尤为关键。

（八）相关规范

从事核电阀门设计和制造的人员，必须熟悉并掌握国家核安全法规和条例，向主管部门及国家核安全门部申请许可，经审查核准后才可开展工作。实践中需严格执行我国及国际公认的法规标准，如核安全法规 HAF、核行业标准 EJ、美国 ASME 标准等，企业标准需以满足这些法规标准为前提。

（九）质量控制

核电阀门生产企业需建立完善的质量保证体系，编制质保大纲及相关质量控制程序文件，日常工作需严格遵循大纲和文件要求，做到有章可依、有据可查，并接受国家核安全门部及相关方的随时监督检查。出现重大质量问题或不符合项时，不得私自处理，需报请相关方审议确定。

（十）文档资料

从产品立项到出厂验收，需建立完整的档案，包括技术规格书、设计图纸、计算书、工艺规范、质量计划、跟踪记录、检测报告、使用维修手册等各类文件资料，并进行归档。

（十一）核电站一回路阀门的特殊要求

抗辐照要求：阀门材料需耐辐照，受辐照后使用性能不改变，且不活化（半衰期短），尽量少用或不用铜、钴等长半衰期材料，目前国内外拟采用镍基合金。

密封要求：介质为带放射性的含硼水，阀门需密封性良好、无外漏，法兰密封可靠，阀杆采用波纹管和中间引漏结构；阀门内外表面需有一定粗糙度，阀体内尽量避免死角，防止放射性颗粒沉积。

填料、垫片要求：因一回路水质要求，填料和垫片的氯离子含量需小于 100ppm，且不含卤素，避免氯离子破坏水质导致不锈钢设备点腐蚀。

禁用材料：安全壳内安全喷淋液含有 NaOH 和硼，一般严禁使用铝、锌及镀锌材料（经总体设计同意除外）；不得选用锡、铅等低熔点材料，与介质接触的表面禁止电镀和氮化。

LOCA 要求：安全壳内的阀门需满足 LOCA 要求，其电动装置、仪器仪表等附件均需通过 LOCA 试验，确保失水事故状态下仍能动作。

结构要求：阀门结构需简单，便于快速拆装维修；阀体流道设计流畅，减少或避免死角，表面光洁平滑，便于清洗冲洗。

安全可靠要求：阀门性能直接影响核电站安全，制造厂正式供货前，需选取典型代表性阀门制作样机，进行冷态性能、热态模拟工况、寿命、地震、LOCA 等一系列型式试验，验证其安全可靠性。

抗震要求：核级阀门需在地震期间及地震后，保持结构和承压边界的完整性，以及良好的工作特性。

三、核电阀门分类介绍

一座配备两套百万千瓦级机组的压水堆型核电站，通常由核岛（NI）、常规岛（CI）和电站辅助设施（BOP）三部分组成。核岛是核电站的关键，负责将核能转化为热能；常规岛是主力，将热能转化为电能；电站辅助设施虽非关键，但同样不可或缺。在约 3 万台阀门中，三者的使用数量占比分别为 NI 43.5%、CI 45%、BOP 11.5%。常规岛用阀口径规格较大，压力和温度参数不高，技术难度相对低于核岛用阀；电站辅助设施用阀量少且技术难度更低。以下主要介绍核岛部分的阀门情况。

核岛用阀门按类型可分为闸阀、截止阀、止回阀、球阀等多种，按使用数量占比排序为：截止阀约 33.6%、隔膜阀约 26.2%、球阀约 12.8%、止回阀约 7.2%、蝶阀约 5.7%、闸阀约 5.0%、调节阀约 3.5%、安全阀约 2.5%、疏水阀约 0.3%、减压阀约 0.2%、其他阀门约 3%。按核安全等级可分为核 1、2、3 级和非核级，占比分别约为 2.3%、30%、22% 和 45.7%。

核电阀门的代表性比较高技术参数为：比较大口径方面，核 3 级蝶阀 1200mm、核 2 级主蒸汽隔离阀 800mm、核 1 级主回路闸阀 350mm；比较高压力约 1500 磅级；最高温度约 350℃；介质主要为冷却剂（硼化水）等。核岛用阀门约 1.13 万台，品种规格繁多，以下重点介绍核安全 1、2 级中的典型阀门结构：

（一）闸阀

核级闸阀主要有楔式弹性单闸板、楔式双闸板、带弹簧预紧的平行式双闸板、带顶块撑开的平行式双闸板四种结构，此外还有液压驱动闸阀和我国自主研制的全封闭型电动闸阀两种无填料函闸阀。核岛中闸阀口径 DN 一般在 80mm 以上，核 1 级闸阀阀体必须采用锻件，核 2、3 级闸阀阀体允许用铸件但多采用锻件。闸阀多采用双层填料带引漏管及碟簧预紧装置，驱动方式有手动和电动（电动闸阀宜采用带制动功能的电机），阀体与阀盖以法兰螺栓连接为主，部分采用压力自封盖结构。不同结构的闸阀性能各异，适用场景也有所不同，例如楔式弹性单闸板闸阀密封副坚固可靠，在主回路系统应用较多。

（二）截止阀

核级截止阀有填料式、波纹管式、金属膜片式三种结构，核岛中其口径一般 DN<50mm，少量达 80mm。阀体多为模锻成型，进出口流道为加工而成的带斜度直孔，流体阻力较大，驱动方式以手动和气动为主，电动式需注重行程和力矩控制的准确性。填料式截止阀采用带碟簧加载的双填料结构；波纹管式截止阀以波纹管为位置一道密封，配备填料函备用；金属膜片式截止阀常用 Y 形结构，以减小流体阻力，但开度不宜过大。截止阀主要用于辅助管线，介质为中等参数的水和蒸汽。

（三）蝶阀

核级蝶阀包括同轴直连式衬胶蝶阀、偏心式金属密封蝶阀、双动式金属密封蝶阀三种结构，核岛中其口径为 DN50～1200mm。同轴直连式衬胶蝶阀多用于核岛辅助设施的冷却水、生水等输送系统，采用橡胶软密封，核级别多为 3 级；金属密封蝶阀常用于安全壳内空气输送系统；偏心式蝶阀依靠蝶板比较大偏心距实现关闭，密封面易磨损；双动式蝶阀借助凸轮机构使蝶板先脱离密封面再回转，密封面采用特殊金属 O 形环，配有弹簧复位气动装置，可实现紧急切断或排放功能。

（四）电磁阀

公称压力 PN4.0MPa，工作温度≤150℃，公称通径 DN≤150mm，具有动作时间短（零点几秒到 3 秒）、尺寸小、重量轻、可使用交直流电源操作等优点。

（五）调节阀

为保障核动力装置自动化运行，需大量使用调节阀，其关键功能是精细维持流量、压力、温度、水位等被调节参数的稳定。按操纵方式可分为外部能源操纵、工作介质自操纵、手动、直接作用式调节器；按介质流量调节方式可分为单座和双座调节阀、调节闸阀等，其中双座和单座调节阀在核电站应用较广。其技术参数范围为公称通径 DN1.5~500mm、公称压力 PN4.1~68.8MPa、工作温度 538℃。

（六）安全阀

核级安全阀主要有波纹管密封弹簧式、带助动器的全启型弹簧式、带探测器的先导式三种结构，核岛中其口径为 DN15～200mm，用量不大但应用广，重要系统的管线、容器和设备上均有配备。波纹管密封弹簧式安全阀可防止介质进入阀杆和弹簧工作腔，上腔外壁设有引漏管，还配备手动强制开启手柄和可调节下档环；带助动器的全启型弹簧式安全阀用于主蒸汽系统，采用双调节环结构，上部设有助动器以保证安全功能；带探测器的先导式安全阀是保护稳压器的关键设备，可避免卡阻问题，密封可靠。

（七）保护阀和分相阀

保护阀用于防止所在系统出现事故工况，当监视参数超出规定值时会自行关闭，可分为自动动作和受控保护装置，结构与闸阀、截止阀相似，特点是动作快速，快速动作阀公称通径可达 DN700~800mm。分相阀中主要使用蒸汽疏水阀，用于自动排除蒸汽管道内的凝结水，常见类型有敞口向上浮子式、热动力型圆盘式、热静力型双金属片式，技术参数范围为公称通径 DN25~50mm、公称压力 PN6.3~15MPa。

（八）快速动作闸阀

用于断开蒸汽发生器和汽轮机，工作介质为蒸汽，工作压力级 Class600~2500，公称管径 2.5in~30in，工作温度 29℃~1050℃，壳体材料为 WCB、WC6、WC9，连接方式有对焊连接与法兰连接。

（九）隔离阀

主要包括核电站反应堆冷却水一回路隔离阀和轻水堆饱和蒸汽主蒸汽隔离阀，公称通径 DN450~1250mm。主蒸汽隔离阀有闸阀型、截止阀型、止回阀型三种结构，是核岛向常规岛输送蒸汽的关键阀门。闸阀型流体阻力小、流通量大，应用广；截止阀型开启行程短但流体阻力大，常采用 Y 形结构；止回阀型可靠性高，占用空间和高度小，制造维护费用低。

（十）其它阀门

还包括减压阀、紧急切断阀、自动阀等，在核电站系统中发挥着各自不可或缺的作用。

（恒立佳创是恒立集团在上海成立的一站式客户解决方案中心，旨在为客户提供恒立全球12个生产制造基地生产的液压元件、气动元件、导轨丝杆、密封件、电驱电控、精密铸件、无缝钢管、传动控制与系统集成等全系列产品的技术支持与销售服务。）