ASME B&PVC中核級閥門承壓邊界的建造要求分析

呂俊娥，龔圣捷

ASME B&PVC中核級閥門承壓邊界的建造要求分析

呂俊娥1，龔圣捷2

（1. 上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；2. 上海交通大學(xué)，上海 200240）

在核電廠中，流體系統(tǒng)需要通過各種各樣的閥門進行控制。本文主要是根據(jù)ASME B&PVC對核級閥門承壓邊界的建造要求進行了討論，詳細分析了ASME B&PVC在核安全1級、2級、3級閥門的建造要求，核級壓力釋放閥承壓邊界的建造要求，以及核級閥門的鑒定要求。

ASME；核級閥門；核安全分級

壓水堆核電工藝系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施中，均由各種各樣的閥門來控制流體的流動、調(diào)節(jié)流體的流量、控制流體的流動方向、限制流體的壓力釋放，構(gòu)成整個工藝系統(tǒng)壓力邊界的一部分，使得整個核電廠的工藝系統(tǒng)有效運行。

根據(jù)閥門在工藝系統(tǒng)和專設(shè)安全設(shè)施中的重要性，可分為非核級閥門和核級閥門。非核級閥門主要按照ASME B16.34規(guī)范[1]，以及API、AWWA和MSS相關(guān)的規(guī)范要求來建造。核級閥門需要按照ASME B&PVC第Ⅲ卷來建造。在本文中，主要根據(jù)2017版的ASME B&PVC規(guī)范，對核級閥門中有關(guān)承壓邊界相關(guān)事宜進行討論。

1　核級閥門建造質(zhì)保要求

與核級承壓設(shè)備的建造質(zhì)保要求一樣，核級閥門在建造時需要根據(jù)ASME NQA-1、10CFR50附錄B、10CFR21、B&PVC第Ⅲ卷NCA的質(zhì)保要求建立質(zhì)量保證體系，并獲得ASME授權(quán)證書[2]。根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷表NCA-7100-1，閥門的標(biāo)準參考ASME B16.34規(guī)范；根據(jù)ASME鋼印和數(shù)據(jù)報告表NCA-8100-1，核級閥門所對應(yīng)的鋼印為N鋼印，數(shù)據(jù)報告為NV-1和NPV-1。

根據(jù)NCA-2142，核1級、核2級、核3級閥門，需根據(jù)其服役的壓力、溫度和機械力學(xué)載荷等環(huán)境要求，對照NB-3112、NC-3112、ND-3112的要求，對正常運行Level A、瞬態(tài)Level B（閥門維持運行狀態(tài)，不需要返修）、應(yīng)急Level C（保證壓力邊界完整性，但閥門不能維持運行狀態(tài)，需要拆除進行返修）及故障Level D（保持壓力邊界完整性，但閥門結(jié)構(gòu)變形，不能維持運行狀態(tài)）等4種服役載荷工況下，根據(jù)NB-3520、NC-3520、ND-3520的要求進行各種使用限值分析。

根據(jù)NCA-3500，閥門制造方必須持有N證，其質(zhì)量保證大綱已獲得了ASME的評審組的審查和認可，并按照質(zhì)量保證大綱的要求編制了質(zhì)量控制程序，接受授權(quán)核檢驗師ANI的檢查。當(dāng)閥門的建造過程滿足ASME B&PVC規(guī)范的要求時，授權(quán)核檢驗師ANI可允許N證持有者在設(shè)備上打N鋼印。

2　核1級閥門

2.1　壓力-溫度等級

根據(jù)NB-3531.1，采用法蘭和焊接（包括承插焊）端部連接的核1級閥門，可根據(jù)ASME B16.34中表2-1.1A至2-2.7A（標(biāo)準等級）的壓力-溫度額定等級來設(shè)計；采用焊接（包括承插焊）端部連接的特殊等級的核1級閥門，可根據(jù)ASME B16.34中表2-1.1B 至2-2.7B（特殊等級）的壓力-溫度額定等級來設(shè)計。在ASME B16.34中表1所列的材料，只要其在ASME B&PVC第Ⅱ卷第D部分第1分篇表2A和2B中滿足使用溫度限值，并滿足NCA-1220中的規(guī)定時，可用于核級閥門的承壓邊界。在ASME B16.34中，沿襲管道規(guī)范中所用的額定等級概念，例如150、300、400、600、900、1 500和2 500等，實際上是額定壓力值，這些等級也適用于ASME B16.5中的管道法蘭[3]。與管道、法蘭相匹配的閥門的尺寸也采用同樣的管道尺寸和額定工作壓力。在ASME B16.34中也包括了4 500等級的閥門，但僅限于焊接端連接的閥門。

根據(jù)NB-3531.2，采用ASME B16.34中規(guī)定的各種額定水壓試驗。對于壓力等級小于150的閥門，試驗壓力按照150等級的要求進行，在這種情況下殼體水壓試驗需要閥門保持部分開啟狀態(tài)，試驗期間允許閥桿泄漏。在完成閥門殼體的水壓試驗后，還需進行閥門關(guān)閉試驗，作用在閥瓣上的試驗壓力不小于閥門的110%的額定壓力，除非在設(shè)計規(guī)格書中有其他額外要求，閥座的泄漏是許可的。對于調(diào)節(jié)控制閥門，可不做閥門關(guān)閉試驗。在關(guān)閉條件下，壓力差小于38 ℃額定壓力，其關(guān)閉試驗壓力可降低到關(guān)閉狀態(tài)時的最大壓差的 110%。根據(jù)ASME B&PVC條款釋義15-1435，導(dǎo)向式閥門或動力觸發(fā)式壓力釋放閥的水壓試驗，可根據(jù)NB-3531.2（f）進行。

2.2　應(yīng)力分析

閥體端部連接需滿足ASME B16.34的要求。在NB-3541中對于閥體壓力邊界的壁厚要求進行了規(guī)定，閥體的設(shè)計主要是基于260 ℃溫度條件下，在額定的設(shè)計壓力下設(shè)計。根據(jù)圖NB-3544.1（a）-1所示，高應(yīng)力區(qū)域在閥體流道與閥體頸部的拐角點，其特征是垂直于中心線平面的周向拉伸應(yīng)力的最大值在內(nèi)表面。圖NB-3545.2（a）-1為考慮各種閥體形狀下危險斷面處的應(yīng)力。最大的一次薄膜應(yīng)力可通過不考慮腐蝕余量的流體面積f與金屬面積m的比值來確定，如圖NB-3545.1（a）-1所示，在拐角區(qū)總的一次薄膜應(yīng)力強度為：

式中：

要綜合考慮內(nèi)壓而引起的一次應(yīng)力，以及管道外部載荷引起的二次應(yīng)力。根據(jù)相似性，其經(jīng)驗公式可根據(jù)下式

改寫為

其中：i相似于f，而1相似于m，閥體m必須小于許用應(yīng)力強度。當(dāng)外部載荷加入時，一次應(yīng)力加二次應(yīng)力值必須小于在260 ℃下的許用應(yīng)力強度的3倍。

核1級閥門，可根據(jù)NB-3500的要求，按分析法進行應(yīng)力分析[2, 4, 5]。某核1級閥門的承壓部件和部分非承壓部件的載荷及應(yīng)力分析，如表1所示。

表1　核1級閥門承壓部件和部分非承壓部件的載荷及應(yīng)力分析

續(xù)表

注：

（1）當(dāng)量地震載荷引起的靜力分析中，采用三維互相垂直的坐標(biāo)軸，兩個水平方向，一個垂直方向。

（2）在三個互相垂直方向上的地震加速度為（2.0，2.0，2.0）的地震載荷工況進行分析。如果在Level D工況下的應(yīng)力無法滿足Level B工況下的許用應(yīng)力時，則需在三個互相垂直方向上的地震加速度為（2.0，2.0，2.0）的地震載荷工況下，對閥門結(jié)構(gòu)的可操作性進行分析。

（3）根據(jù)不同載荷工況，對材料的屈服強度采用經(jīng)驗系數(shù)修正的方法，來確定非承壓邊界的許用應(yīng)力。

符號縮寫：

SSE——安全停堆地震（慣性部分）

DBA——設(shè)計基準事故

TH——熱應(yīng)力載荷

XL——外部機械載荷（管道系統(tǒng)的作用力等）

DW——自重

OE——設(shè)備運行操作載荷（操作推力）

V——閥體拐角區(qū)的最小斷面模數(shù)

p——連接管道的最大斷面模數(shù)

V——閥體拐角處的最小截面面積

p——連接管道的最大截面面積

——內(nèi)部設(shè)計壓力

——在1/3的安全停堆地震SSE工況的載荷（慣性部分）

m——總的薄膜應(yīng)力

L——局部薄膜應(yīng)力

b——彎曲應(yīng)力

對于沒有在ASME B16.34表中所列的額定設(shè)計壓力和設(shè)計溫度的閥門，閥門的設(shè)計可采用線性插值法來計算；在B16.34和NB-3543中詳細規(guī)定了線性插值法的要求：

（1）基于設(shè)計溫度，根據(jù)表格中列出的溫度值，采用線性插值的方法獲得額定壓力值。

（2）根據(jù)設(shè)計載荷，采用線性插值法獲得最小壁厚。

（3）根據(jù)與設(shè)計載荷相對應(yīng)的額定壓力等級值，采用線性插值獲得額定壓力值。

2.3　疲勞分析

NB-3544對閥體的形狀進行了規(guī)定。在NB-3544.1中，閥體與頸部拐角接合處的承壓邊界表面的圓角半徑，可參照圖NB-3544.1（a）-1所示，確保疲勞強度減弱系數(shù)不大于2.0。閥體內(nèi)部的垂直于流道或頸部中心線的截面形狀需光滑過渡，去除不可避免的不連續(xù)性。例如，在閥座處，形成光滑的彎曲過渡；環(huán)形槽或類似形狀的結(jié)構(gòu)處有尖角不連續(xù)時，則應(yīng)使其與主閥體的一次和二次應(yīng)力隔開。

若在閥門的設(shè)計規(guī)格書中有特殊的服役載荷時，則不能免除疲勞分析，需根據(jù)NB-3546.4或NB-3200進行循環(huán)載荷的疲勞分析。當(dāng)密封環(huán)壓貼在壓力邊界的臺肩處，且沒有采用半熔透或角接焊縫焊接（NB-4433）時，密封環(huán)無需進行疲勞分析。

根據(jù)閥門在服役壽期內(nèi)預(yù)計的循環(huán)次數(shù)，假定循環(huán)次數(shù)超過2 000次以上，則需根據(jù)NB-3550進行疲勞分析。若滿足NB-3552中的條件時，無需考慮循環(huán)載荷。例如，根據(jù)NB-3552（a），當(dāng)碳鋼和低合金鋼閥門的壓力波動小于設(shè)計壓力的1/3，或奧氏體不銹鋼閥門的壓力波動小于設(shè)計壓力的1/2時，不考慮循環(huán)載荷；根據(jù)NB-3552（b），溫度波動小于17 ℃時，不考慮循環(huán)載荷；根據(jù)NB-3552（c），在閥門壽期內(nèi)，預(yù)計發(fā)生事故或誤操作的次數(shù)不超過5次時，不考慮循環(huán)載荷；根據(jù)NB-3552（d），當(dāng)閥門的溫度變化速率不大于56 ℃/h，啟停次數(shù)不超過2 000次時，不考慮循環(huán)載荷。NB-3553給出了利用疲勞使用系數(shù)計算許用應(yīng)力值的方法，在第Ⅲ卷附錄I中的圖I-9.1和圖I-9.2中給出了相關(guān)的計算關(guān)系式。

3　核2級、3級閥門

3.1　壓力-溫度等級

核2級閥門按照NC-3500的要求進行設(shè)計，核3級閥門按照ND-3500的要求進行設(shè)計，可以看出，核2級閥門和核3級閥門有比較相似的設(shè)計方法。對于閥門端部采用法蘭、螺紋或焊接連接的標(biāo)準等級的閥門，例如等級為150、300、400、600、900、1 500、2 500和4 500的標(biāo)準閥門，可根據(jù)B16.34規(guī)范進行設(shè)計。根據(jù)表NCA-7100-1，對于管徑不大于NPS 24（DN600），端部采用法蘭連接的閥門，可采用B16.34規(guī)范進行閥門的設(shè)計，采用B16.5規(guī)范進行法蘭的設(shè)計。

ASME B&PVC規(guī)范案例N-757中，對于核2級和核3級的儀表、控制和取樣類的閥門，其NPS不大于1，且當(dāng)采用焊接或非焊接管端連接（不包括法蘭）時，其閥體的設(shè)計不能滿足B16.34中閥門壁厚的要求，則該類閥門的設(shè)計時，可根據(jù)MSS SP-105規(guī)范中的壓力試驗鑒定的方法，確定閥門的最大壓力-溫度額定等級。

3.2　應(yīng)力分析

根據(jù)NC/ND-3521（a）的要求，若當(dāng)閥體材料的許用應(yīng)力等于或大于連接管道材料的許用應(yīng)力時，閥體最弱截面，即垂直于流道并通過閥體拐角區(qū)的平面處的斷面模數(shù)和金屬面積，應(yīng)不小于按照規(guī)范設(shè)計的閥體進出口接管連接的管道的斷面模數(shù)和金屬面積的110%。如果閥體材料的許用應(yīng)力小于連接管道的許用應(yīng)力時，需采用管道的許用應(yīng)力除以閥體材料的許用應(yīng)力的比值來進行調(diào)整，即閥體的最弱截面處的斷面模數(shù)和金屬面積應(yīng)不小于所連接管道的斷面模數(shù)和金屬面積的110%與管道許用應(yīng)力與閥門許用應(yīng)力比值的乘積。

B16.34規(guī)范建立了150、300、600、900、1 500、2 500、4 500標(biāo)準壓力等級的閥門，在不同閥體材料和不同溫度下所能承受的許用工作壓力。閥門的工作壓力覆蓋范圍廣，從工作壓力為0.14 MPa（溫度為538 ℃、150等級閥門）到工作壓力78 MPa（溫度為38 ℃、4 500等級閥門）。

4　壓力釋放閥

4.1　承壓邊界

核1級、核2級和核3級彈簧加載式壓力釋放閥的承壓部件，需在考慮其不同的壓力區(qū)域要求的基礎(chǔ)上，滿足NB/ND/NC-3590的要求。壓力釋放閥的壓力邊界，分為兩個區(qū)域，即一次壓力區(qū)域和二次壓力區(qū)域。一次壓力區(qū)域主要是閥體中壓力釋放前的高壓流體區(qū)域，主要包括閥門進口連接件、接管、閥瓣、閥體結(jié)構(gòu)、閥蓋（支架）、閥體-閥蓋（支架）螺栓連接件等。二次壓力區(qū)域主要是閥體中壓力釋放后的低壓流體區(qū)域，主要為出口連接件。例如，圖NB-3591.1-1和NB-3591.1-2是核1級兩種典型的壓力釋放閥的截面形狀。

在壓力釋放閥的運行要求中，也需考慮維持壓力邊界完整性。壓力釋放閥的設(shè)計，除了遵循與普通閥門的設(shè)計要求外，還需關(guān)注壓力釋放功能相關(guān)的特殊要求。在NB-7000中，規(guī)定了壓力釋放閥的試驗要求和運行要求。除了設(shè)計報告外，還需根據(jù)NB-7200要求，需由系統(tǒng)工程師編制超壓保護報告，并經(jīng)登記注冊的專業(yè)工程師進行確認。

ASME B&PVC第Ⅲ卷中，核1級壓力釋放閥需打“N Class 1”（N，核1級）鋼印，而對于核2級或核3級壓力釋放閥需打“N Class 2”（N，核2級）或“N Class 3”（N，核3級）鋼印。

4.2　壓力釋放閥規(guī)范的發(fā)展

核1級、核2級和核3級的導(dǎo)向式驅(qū)動和動力觸發(fā)式驅(qū)動的壓力釋放閥的設(shè)計，詳見NB/NC/ND-3500。在2015年，ASME B&PVC第Ⅲ卷特別委員會（Ad-Hoc Committee），審議了NB-3500、NB-6000和NB-7000的相關(guān)要求對核1級導(dǎo)向式驅(qū)動或動力觸發(fā)式驅(qū)動的壓力釋放閥的適用性；同樣的，審議了NC/ND-3500、NC/ND-6000、NC/ND-7000的相關(guān)要求對核2級和核3級的導(dǎo)向式驅(qū)動或動力觸發(fā)式驅(qū)動的壓力釋放閥的適用性。

根據(jù)ASME B&PVC規(guī)范案例N-133，核3級壓力釋放閥可采用ASME SB148 C95200和C95400材質(zhì)規(guī)范進行制造；根據(jù)規(guī)范案例N-855，允許SB148 C95800材質(zhì)規(guī)范用于核3級壓力釋放閥的制造，N-855是對N-133的補充。

根據(jù)ASME的條款解釋第15-1435條，核1級的導(dǎo)向式驅(qū)動的壓力釋放閥的水壓試驗，需滿足NB-3531.2（f）的要求；而核2級和核3級彈簧加載式的壓力釋放閥的水壓試驗，需滿足NC/ND-3593.1的要求。

5　閥門鑒定

為了確保閥門在核電廠正常運行工況前后、假想異常工況前后、假想設(shè)計基準事故工況前后滿足特定的功能要求，執(zhí)行核安全功能，支持核電廠的安全運行和安全停堆功能，需要對閥門進行相關(guān)的鑒定。

在ASME QME-1規(guī)范中，給出了閥門鑒定的推薦性要求[6]。對于新建電廠，閥門的鑒定范圍可包括手動閥、電動閥、自驅(qū)動閥、以及壓力釋放閥。QME-1不適用于閥門中的電氣部件的鑒定；電機、電動執(zhí)行機構(gòu)、儀控等電氣元件，需根據(jù)IEEE規(guī)范，如IEEE-323、IEEE-334、IEEE-344、IEEE-382等進行鑒定。

若閥門的設(shè)計規(guī)格書中有閥門鑒定的要求，則業(yè)主或其代理方可自行決定、或根據(jù)設(shè)計規(guī)范、根據(jù)國家核監(jiān)管方的管理要求、也可以根據(jù)核電站設(shè)計方的要求，選擇QME-1，對閥門進行鑒定。例如，MSS SP-100為表NCA-7100-1中的參考尺寸規(guī)范，在MSS SP-100規(guī)范中明確規(guī)定，若彈性隔膜用于核電站的隔膜閥時，則需根據(jù)QME-1中的附錄QR-B進行鑒定。

閥門在進行鑒定前，業(yè)主或其代理方應(yīng)提供閥門鑒定規(guī)格書，描述閥門在各種假設(shè)工況下的參數(shù)。閥門制造廠應(yīng)編制鑒定試驗計劃、進行閥門的鑒定試驗、記錄鑒定試驗結(jié)果報告。業(yè)主或其代理方在認可制造廠的鑒定試驗報告后，制造廠方可進行閥門的制造。在閥門的鑒定規(guī)格書中，需描述在正常運行和設(shè)計基準事故下閥門性能要求；閥門及其附件的安裝方位和位置的描述，包括電動執(zhí)行機構(gòu)、控制電路的布置等；在每一種運行模式下，閥門及其附件間的載荷描述；閥門鑒定時所需的規(guī)范；服役條件及載荷要求的描述，例如地震工況下的參數(shù)，內(nèi)外部壓力、溫度、相對濕度、輻照、振動、腐蝕、瞬態(tài)影響；鑒定參數(shù)需要考慮所需的設(shè)計余量；識別閥門部件的老化機理；閥門鑒定的可接受的驗收要求；鑒定結(jié)果報告的要求。

6　結(jié)論

在核電廠中，流體系統(tǒng)需要通過各種各樣的閥門進行控制。本文主要是根據(jù)ASME B&PVC對核級閥門承壓邊界的設(shè)計要求進行了討論，詳細描述了ASME B&PVC在核安全1級、2級、3級閥門，以及核級壓力釋放閥的設(shè)計中的要求：

（1）在系統(tǒng)設(shè)計過程中，業(yè)主或其代理方應(yīng)對核安全相關(guān)的閥門，在設(shè)計規(guī)格書的編審過程中要進行詳細受力分析。非核級閥門主要按照ASME B16.34規(guī)范，以及API、AWWA和MSS相關(guān)的規(guī)范要求來建造。核級閥門需要按照ASME B&PVC第Ⅲ卷來建造。

（2）根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷標(biāo)準尺寸表NCA-7100-1，閥門參考ASME B16.34規(guī)范；根據(jù)ASME鋼印和數(shù)據(jù)報告表NCA-8100-1，核級閥門所對應(yīng)的鋼印為N鋼印，數(shù)據(jù)報告為NV-1和NPV-1。

（3）核級閥門的承壓邊界需按照ASME B&PVC第Ⅲ卷的要求來進行設(shè)計，需要滿足ASME B16.34中的壓力-溫度額定值要求，以及壁厚要求。

（4）對于閥門中的非承壓部件，例如閥桿、閥座、閥桿保持結(jié)構(gòu)等，這些部件的失效會導(dǎo)致承壓邊界嚴重損壞，需要滿足NB-3546.3的要求。

（5）為了確保閥門在核電廠各種工況條件下的功能要求，需要對閥門進行相關(guān)的鑒定。

［1］ Valves-Fangled，Threaded，and Welding End：ASME B16.34［S］．2010．

［2］ Boiler and Pressure Vessel Code：ASME［S］．2017．

［3］ Pipe Flanges and Flanged Fittings：ASME/ANSI B16.5［S］．2009．

［4］ 軒福貞，宮建國．基于損傷模式的壓力容器設(shè)計原理［M］．北京：科學(xué)出版社，2020．

［5］ 沈鋆，劉應(yīng)華．壓力容器分析設(shè)計方法與工程應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2016．

［6］ Qualification of Active Mechanical Equipment Used in Nuclear Facilities：ASME QME-1［S］．2012．

Construction Requirements Analysis of the Pressure Retaining Boundary for Nuclear Safety Related Valves in ASME B&PVC

LYU June1，GONG Shengjie2

（1. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.Ltd，Shanghai 200233，China；2. Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

The valves are selected to perform the control of the flow in the fluid system of nuclear power plant. The pressure retaining functions of nuclear safety related valves are primarily discussed herein. The construction requirements of the pressure retaining boundary for nuclear safety related Class 1, 2 and 3 valves and for pressure relief valves in the Section Ⅲ of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code B&PVC are fully discussed. The qualification requirements of nuclear safety related valves in the QME-1 are also discussed.

American Society of Mechanical Engineers (ASME); Nuclear safety related valves; Nuclear safety related classification

TL48

A

0258-0918（2022）02-0311-07

2021-01-06

國家重大專項核級氣動截止閥、調(diào)節(jié)閥總體設(shè)計技術(shù)研究（2019ZX06002014）項目資助

呂俊娥（1980—），女，天津人，工程師，現(xiàn)主要從事核電站管道設(shè)計管理相關(guān)研究