＊?dú)W陽再龍 董文杰

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840）

相比于核電站高溫、高壓和介質(zhì)種類相對(duì)單一的環(huán)境，國(guó)內(nèi)基于Purex流程（普雷克斯流程-核燃料水法后處理流程之一）的乏燃料后處理工業(yè)生產(chǎn)過程是在強(qiáng)輻照、高毒性、多組分硝酸體系下的一系列復(fù)雜的化工單元[1]。從乏燃料組件的溶解到裂變?cè)氐娜ノ鄯蛛x，從放射性廢液的蒸發(fā)濃縮到污溶劑的精餾再生，各個(gè)核化工單元的物料輸送、截止、調(diào)節(jié)、止逆、泄壓等均通過其復(fù)雜管路的閥門或者閥組進(jìn)行精準(zhǔn)控制。核化工閥門主要包括球閥、蝶閥、截止閥（含波紋管截止閥和節(jié)流閥）、止回閥、安全閥、減壓閥、穿地/穿墻閥等，它是后處理廠安全運(yùn)行必不可少的組成部分，也是后處理生產(chǎn)過程可靠運(yùn)行的重要保障。

不同物項(xiàng)分級(jí)的閥門服務(wù)于不同的功能系統(tǒng)。根據(jù)EJ/T 939-2014《核燃料后處理廠建（構(gòu)）筑物、系統(tǒng)和部件的分級(jí)準(zhǔn)則》[2]，核化工工藝閥門從安全級(jí)上分為RS-1、RS-2、NR(S)和NR，抗震等級(jí)分為1A、1I和NA，質(zhì)保等級(jí)分為QA1、QA2、QA3和QAN。實(shí)際核化工項(xiàng)目中，安全級(jí)工藝閥門主要是確保主工藝路線上關(guān)鍵部位的運(yùn)行安全，所占工藝閥門總數(shù)的比例不高。下面將就工藝閥門選型過程的相關(guān)技術(shù)要求和特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1.閥門使用環(huán)境和材質(zhì)選擇

(1)閥門使用環(huán)境

工藝管路中的流動(dòng)介質(zhì)和工藝閥門的使用環(huán)境決定了閥門關(guān)鍵部件的選型要求。核化工工藝閥門控制的管路上涉及的介質(zhì)多達(dá)150多種，主要可以分為鈾钚硝酸鹽溶液、煤油-TBP等有機(jī)相、硝酸、氫氧化鈉、壓縮空氣、蒸汽、去離子水等。上述介質(zhì)的溫度范圍大多在20～200℃之間，管路介質(zhì)壓力范圍基本在-0.095～2.0MPa之間，閥門周邊環(huán)境溫度為0～40℃[3]。EJ849-1994《核燃料后處理廠輻射安全設(shè)計(jì)規(guī)定》[4]中將放射性廠房的輻射分區(qū)分為白區(qū)、綠區(qū)、橙區(qū)和紅區(qū)，工藝閥門在這四個(gè)分區(qū)中均有分布。作為輻射工作場(chǎng)所的工作分區(qū)和檢維修分區(qū)，綠區(qū)和橙區(qū)集中布置了絕大多數(shù)的工藝閥門；紅區(qū)作為放射性設(shè)備分區(qū)，考慮到其中各類放射性源項(xiàng)對(duì)工作人員輻照影響以及復(fù)雜的設(shè)備、管網(wǎng)布置環(huán)境，一般原則都是盡可能采用無閥門控制的單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)管路輸送模式，或者采用壽期內(nèi)免維修閥門如冷凍閥以及采取遠(yuǎn)距離、間接維修的閥門如穿地閥或者穿墻閥等；白區(qū)作為非輻射工作場(chǎng)所，除了少量非放射性工藝用試劑集中布置在此外，其他工藝設(shè)備及管路均布置在綠區(qū)、橙區(qū)、紅區(qū)等控制區(qū)內(nèi)，區(qū)域內(nèi)相應(yīng)工藝閥門數(shù)量也只占閥門總數(shù)的很小份額。

除了直接接觸環(huán)境外，核化工工藝閥門還需考慮地震等狀態(tài)下的事故環(huán)境。抗震類的工藝閥門數(shù)量占比與安全級(jí)工藝閥門的數(shù)量基本相匹配，這些閥門都應(yīng)具有承受地震荷載的能力；帶有偏心荷載結(jié)構(gòu)（如驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）的閥門還應(yīng)根據(jù)廠址實(shí)際反應(yīng)譜的大小考慮各個(gè)方向的加速度限值。地震事故環(huán)境的引入不僅是為了某些工段下工藝的應(yīng)急運(yùn)行，更重要的是確保放射性介質(zhì)被嚴(yán)格限制在其包覆的設(shè)備和管道之中，防止放射性物質(zhì)逸出、泄露，保證核安全這一生命線。

(2)閥門材質(zhì)選擇

基于硝酸介質(zhì)的核化工體系中，工藝閥門的主體材質(zhì)均為奧氏體不銹鋼，主要包括321（06Cr18Ni11Ti）、304L（022Cr19Ni10）、316Ti（06Cr17Ni12Mo2Ti）和316L（022Cr17Ni12Mo2）。作為耐硝酸腐蝕性能優(yōu)異、原材價(jià)格適中的304L不銹鋼，用其作為主體材料的工藝閥門占比高；對(duì)于力學(xué)性能有更高要求的部分閥門則會(huì)選用321不銹鋼作為主體材料；對(duì)于少量草酸和高溫環(huán)境的介質(zhì)，則采用含微量元素Mo的316Ti不銹鋼和316L不銹鋼。

核化工工藝閥門以小口徑為主，大口徑工藝閥門主要用于循環(huán)水、工藝尾氣、蒸汽、壓空等管路中。對(duì)于小口徑（DN≤50）閥門，其閥體制造過程一般采用整體鍛造，對(duì)于公稱壓力不高的大口徑閥門（DN＞50），則可以采用鑄造形式。當(dāng)前，核化工工藝閥門的主體材料尚未形成自身的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要還是參考引用ASTM A240、ASTM-A351、RCC-M和GB/T 12230等。表1詳列了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下不同不銹鋼材料牌號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 核化工工藝閥門用奧氏體不銹鋼牌號(hào)對(duì)照

2.閥門類型的選擇

閥門類型的選擇取決于閥門使用環(huán)境和工藝功能需求。我國(guó)核化工經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和探索，在工藝閥門選型上已經(jīng)形成了具備自身特色的應(yīng)用體系。

(1)開關(guān)閥的選取

在核化工工藝中應(yīng)用的開關(guān)閥主要是球閥、蝶閥和波紋管截止閥（包括少量截止閥）。球閥具有體積小、啟閉迅速、操作方便、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，多用于公稱直徑（DN）＜100、且介質(zhì)為稀酸、稀堿、蒸汽、水、壓縮空氣、有機(jī)相等的輸送管路[5]。蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易產(chǎn)生熱變形、重量輕、占據(jù)空間小、阻力相對(duì)小、啟閉迅速、密封性好、壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，主要用于公稱直徑（DN）≥100的管路。波紋管截止閥采用波紋管加填料密封的雙重密封結(jié)構(gòu)，具有防止工藝流體侵蝕閥桿并確保閥桿零泄漏的優(yōu)點(diǎn)，其在核化工工藝中具有十分重要的應(yīng)用場(chǎng)景；對(duì)于介質(zhì)為放射性溶液、解吸液、濃酸、濃堿、甲醛、水合肼等有毒有害的介質(zhì)，采用波紋管截止閥可以有效減少介質(zhì)泄露擴(kuò)散帶來風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于紅區(qū)與橙區(qū)、綠區(qū)相連的管路，波紋管截止閥作阻斷隔離閥的角色是不可或缺的。

針對(duì)需要啟閉控制且料液放射性水平較高的管道，由于人員無法進(jìn)行直接檢維修，需要考慮使用遠(yuǎn)距離操作的開關(guān)閥。目前，核化工中常用的此類閥門主要為穿地閥和穿檣閥。穿地閥一般布置在設(shè)備室的頂板，閥門伸入設(shè)備室內(nèi)部的部分包括閥門的閥體和加長(zhǎng)的閥軸，閥門操作裝置的主體則留在設(shè)備室外的橙區(qū)用房，方便工作人員的正常操作。穿墻閥一般布置在設(shè)備室側(cè)墻，閥門主體位于設(shè)備室內(nèi)的管道上，閥門操作裝置布置在設(shè)備室外，通過硬性或者柔性桿將驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)操作力矩傳遞到設(shè)備室的閥門主體，從而實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)距離操作。穿地閥的檢修一般是利用專門的檢修容器進(jìn)行，通過檢修容器抽取閥軸實(shí)現(xiàn)密封填料等部件的更換；穿墻閥在主體閥穿墻閥在主體閥門損壞后需先對(duì)設(shè)備室進(jìn)行清洗去污，滿足劑量要求后工作人員穿戴防護(hù)用具進(jìn)入設(shè)備室進(jìn)行直接檢維修。

(2)止回閥的選取

在核化工領(lǐng)域中，止回閥除了擁有民用領(lǐng)域的一些常用場(chǎng)景外，還有一項(xiàng)特殊的應(yīng)用場(chǎng)景。確保輻射安全，減少放射性擴(kuò)散污染是核化工后處理設(shè)計(jì)中的重要準(zhǔn)則之一。為此，對(duì)進(jìn)入放射性集中的紅區(qū)設(shè)備室的試劑、水、蒸汽等各類管道，需采取有效手段防止紅區(qū)氣溶膠向紅區(qū)外部干凈區(qū)擴(kuò)散。從最開始的水封、管道過濾器方案到最后的止回閥方案，都進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。止回閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸短小、自動(dòng)運(yùn)行和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，特別適合與波紋管截止閥一起組成核化工廠房中的防紅區(qū)設(shè)備室氣溶膠擴(kuò)散的隔離閥組。圖1描述了止回閥作為隔離閥在核化工管路中的基本布置方式，其開關(guān)的壓降需根據(jù)管路介質(zhì)的壓力和管道的空間布局來進(jìn)行選型，相關(guān)的工程試驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證也給實(shí)際工程應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 止回閥和波紋管截止閥作為隔離閥組的布置示意

(3)驅(qū)動(dòng)方式的選擇

核化工的設(shè)計(jì)不僅要確保安全性，同時(shí)也要盡可能實(shí)現(xiàn)操作、運(yùn)行和響應(yīng)的便捷性。目前，核化工工藝閥門的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)、電動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)和手動(dòng)等，其中氣動(dòng)閥門數(shù)量已基本能覆蓋所有工藝控制管路。電動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)閥門數(shù)量較少，主要用于熱室和取樣相關(guān)的管路上。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出推力大、動(dòng)作平穩(wěn)且安全防爆的特點(diǎn)，在沒有短時(shí)間、高頻次開關(guān)和安裝空間受限的要求下，其可靠性要優(yōu)于電動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)形式。

(4)連接方式和密封形式的選擇

核化工工藝閥門的連接形式分為焊接和法蘭連接兩種，其中焊接形式指的是對(duì)接焊，法蘭形式指的是突面對(duì)焊法蘭。對(duì)于核化工廠房中白區(qū)、綠區(qū)的工藝閥門，以及橙區(qū)中不存在潛在放射性污染的閥門，其連接形式均可以采法蘭連接，方便運(yùn)行過程的檢維修操作；對(duì)于橙區(qū)、紅區(qū)輸送放射性料液或者存在潛在放射性污染可能性的料液管道，其管路閥門一般采用焊接形式，其它需經(jīng)常檢修更換的部位，則還是采用法蘭連接。核化工工藝閥門的選型過程還需考慮部分閥門密封形式。位于放射性介質(zhì)管路或者介質(zhì)帶有硬質(zhì)顆粒的管路球閥，其密封形式一般選用硬質(zhì)金屬硬密封形式，這樣既可以減少軟密封結(jié)構(gòu)維修更換產(chǎn)生的放射性固體廢物，也可以避免硬質(zhì)顆粒劃傷軟密封材料后，介質(zhì)泄露導(dǎo)致的安全隱患。對(duì)于密封形式為本體密封的波紋管截止閥、節(jié)流閥，其密封表面均需進(jìn)行硬化處理；但如果管路介質(zhì)中含有硝酸，按照RCC-M F6532的要求則不能將密封面進(jìn)行堆焊硬化，以防止硝酸加速腐蝕堆焊焊縫導(dǎo)致硬質(zhì)合金脫落。此外，對(duì)于介質(zhì)溫度大于180℃的軟密封球閥和介質(zhì)溫度大于130℃的軟密封蝶閥，其軟密封材料的性能在運(yùn)行過程中會(huì)快速降低甚至失效，所以上述閥門一般也會(huì)采用硬密封結(jié)構(gòu)形式[5]。

3.閥門采購(gòu)過程的技術(shù)要求

相比于核化工，核電閥門在原材料采購(gòu)、設(shè)計(jì)加工、制造驗(yàn)收等整套流程均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，也為下游培育了一批成熟可靠的國(guó)內(nèi)閥門制造廠。核化工工藝閥門采購(gòu)過程技術(shù)接口交換、制造過程、質(zhì)保、出廠驗(yàn)收目前以參考核電閥門為主，主要的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是RCC-M 2007、NB/T 20010系列、GB/T 13927、GB/T 26480等。實(shí)際采購(gòu)過程中，由于核化工的工藝介質(zhì)環(huán)境和核心工藝與核電大相徑庭，所以核化工工藝閥門的采購(gòu)過程還需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）規(guī)定工藝閥門的外形尺寸。核化工項(xiàng)目工藝管路及閥門數(shù)量多且布置形式復(fù)雜、緊湊，在閥門采購(gòu)技術(shù)文件中必須對(duì)閥門的外形尺寸進(jìn)行明確限制，防止閥門到廠后出現(xiàn)無法安裝或者無法正常操作和檢修的情況。

（2）要在采購(gòu)清單中詳細(xì)羅列出介質(zhì)相關(guān)的信息。核化工工藝閥門涉及介質(zhì)繁多，采購(gòu)過程中應(yīng)達(dá)到讓生產(chǎn)廠家知悉介質(zhì)酸度、放射性等一系列影響閥門關(guān)鍵部件選型、選材的因素。

（3）在采購(gòu)過程需要廠家結(jié)合核化工獨(dú)特的生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)計(jì)模式去考慮閥門設(shè)計(jì)和驗(yàn)收。核化工項(xiàng)目一般處于內(nèi)地大風(fēng)、干燥且多沙塵的地區(qū)，閥門在到廠入庫和安裝過程均不可避免的遭沙塵污染，采購(gòu)過程中應(yīng)要求廠家在設(shè)計(jì)制造階段不僅要考慮閥門本身的清潔，而且也應(yīng)考慮外部惡劣環(huán)境下，閥門安裝后不出現(xiàn)大面積磨損、墊片性能下降等一些列影響閥門使用性能的問題。

此外，核化工非安全級(jí)氣動(dòng)閥采用閥島式的集中氣源進(jìn)出口，這種方式會(huì)導(dǎo)致部分閥門的氣源管管路布置路徑很長(zhǎng)（接近20m）。如按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣動(dòng)裝置的試驗(yàn)驗(yàn)收（就地排氣），將無法貼近使用工況進(jìn)而判斷出氣動(dòng)裝置到廠安裝后的實(shí)際使用性能。因此在閥門采購(gòu)過程中，有必要將這些設(shè)計(jì)方式與閥門一道在生產(chǎn)制造過程就進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

4.小結(jié)和展望

核化工工藝閥門種類多、數(shù)量大，是實(shí)現(xiàn)工藝管路控制和工藝功能的關(guān)鍵設(shè)備。核化工工藝閥門的選型過程涉及使用環(huán)境、材質(zhì)、閥門類型、采購(gòu)等各個(gè)環(huán)節(jié)，通過有效區(qū)分管路介質(zhì)特性、閥門外部環(huán)境，掌握各類閥門材質(zhì)的特征、細(xì)化各個(gè)場(chǎng)景下閥門的使用范圍，使得各類閥門的適用性最優(yōu)化；結(jié)合實(shí)際閥門的安裝環(huán)境和運(yùn)行模式強(qiáng)化采購(gòu)制造過程中閥門功能的驗(yàn)證，最終為核化工項(xiàng)目安全、穩(wěn)定的運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

由于缺少本行業(yè)自身的閥門選型、制造等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，核化工閥門設(shè)計(jì)要求目前還是參考引用核電行業(yè)。這種參考和借鑒能在短時(shí)間內(nèi)幫助國(guó)內(nèi)閥門廠家快速理解和響應(yīng)核化工閥門的供貨需求，但是在真正理解、消化到后續(xù)因地制宜的優(yōu)化閥門設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收等方面會(huì)產(chǎn)生瓶頸。因此，未來要加速實(shí)現(xiàn)核化工領(lǐng)域包括閥門等眾多方向設(shè)計(jì)、制造的標(biāo)準(zhǔn)化，形成相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。