浅谈核电厂用电磁阀

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电磁阀隶属于工业自动化仪表的执行器单元，用于实现对管路中的介质进行通断、切换、分配等过程的自动控制。电磁阀具有体积孝质量孝反应灵活、安全可靠等优点.因此被广泛应用于包括核电厂在内的各类 自动控制系统之中。

由于安全控制的特殊性要求 .民用核电厂中所选用的电磁阀较-般工业控制领域用的电磁阀应满足更严格的标准、规范要求。

1 核电厂用电磁阀的分类电磁阀在核电厂中应用范围很广。因控制要求和使用环境条件的不同，对电磁阀的要求也各有不同。根据核电厂实际工况的特点及要求，可从服务诚、控制介质及电气安全等级等方面，对电磁阀进行以下分类。

1.1 按服务诚分类核电厂-般分为两部分，-是利用原子核裂变生修改稿收到 日期：2013-0l-25。

第-作者纪永武(1959-)，男，1982年大学本科毕业，高级工程师：长期从事电磁阀的研究、设计和应用方面工作。

66产蒸汽的核岛，包括反应堆装置和-回路系统；二是利用蒸汽发电的常规岛.包括汽轮发电机系统。依据产品应用服务诚.核电厂用电磁阀可以分为安全级和非安全级两类。

安全级电磁阀是指对核电厂的安全运行至关重要的电磁阀，-般位于核电厂的核岛中。按其重要程度，安全级 电磁 阀又 细分 为安全 1级、安 全 2级 和安全 3级三种(SC1、SC2、SC3)。安全 1级电磁阀-般用于核电厂的-回路 ，作为首级保护或控制单元；安全 2级电磁阀-般用于核电厂的二回路或-回路安全 1级安保设备的次级安保部位 ：安全 3级电磁阀-般用于核岛内的附属系统或安全 2级安必制设备的次级安必制部位 j。

1.2 按控制介质分类核电厂用电磁阀按控制介质分，可以分为工艺管路用电磁阀和仪表电磁阀两类。

工艺管路用电磁阀是指所控制的介质为系统工艺介质的电磁阀。如稳压器排汽电磁阀，其控制介质为蒸汽。此类电磁阀又称为电磁动截止阀。

仪表电磁阀是指所控制的介质为系统控制介质的PRoCESS AUTom TION INSTRUMENTATIoN V0L 34 No.6 June 2013浅谈核电厂用电磁阀 纪永武，等电磁阀。该电磁阀的主要作用是通过控制介质控制次级设备的动作，介质-般为压缩空气或液压油，控制对象多为气动切断阀门或液动切断阀门。

核电厂用安全级工艺电磁阀如图 1所示。该电磁阀为二位二通高温高压电磁阀，是-种常闭型工艺电磁阀。电磁铁通电时，电磁阀开启；反之关闭。电磁阀工作压力在20 MPa左右.温度达 360℃，公称通径-般为 DN10～DN80，结构为强制先导型。

导磁电磁线电磁铁外阀杆铁芯组阀杆铁芯组阀杆铁芯组屏蔽导向螺栓组螺栓组螺栓组法导向辅活塞组套阀接器装置图 1 核 电厂用安全级工 艺电磁 阀结构 图Fig.1 Structure of the solenoid valve used in safetytechnological process of nuclear power plant核电厂用安全级仪表电磁阀如图2所示。

图2 核电厂用安全级仪表电磁阀结构图Fig.2 Structure of the solenoid valve usedfor safety instrumentation《自动化仪表》第34卷第6期 2013年6月螺母铁组件组件阀体装置该电磁阀为二位三通电磁阀，是-种先导式结构的仪表电磁阀。电磁铁通电时，压力源经P口与工作口A导通 ，排空 口0截止；电磁铁断电时，工作口A和排空口0导通，压力源口 P截止。工作压力在 0.8～4 MPa，温度可达 120。I，公称通径-般为 DN3～DN15。

核电厂用安全级仪表电磁阀主要零部件包括端盖、阀体、阀杆组件、手动装置、导阀阀体、弹簧、管座组件、铁芯组件、电磁铁、排气螺母 、电连接器。

1.3 按电气安全等级分类核电厂用 电磁 阀按 电气安全等级分类 .可以分为安全级 (1E级)和非安全级两大类。根据环境条件要求，安全级(1E级)又可以分为 1E/K1、1E/K2和 1E/K3三类。K1、K2、K3为依据电气部分工作环境条件确定的鉴定级别 ，K1级通常用于核电厂的-回路。

2 核电厂用电磁阀设计制造的要求核电所使用的燃料是时刻裂变的核素，具有很强的放射性 .其裂变产物如果意外向环境释放 ，所产生的后果将非成怕。因此，确保核电系统的安全运行是核电项目建设的首要问题↑年来，我国进-步明确了安全高效发展核电”的发展战略，对核 电厂的选址 、设计 、施工、设备设计、设备制造 、调试、运行 、维修和检验试验严格按规定实施。

核电仪表和控制系统是核电站的神经系统”，是核电站正常、高效、安全运行的关键。据相关统计，目前我国在役核电站的绝大部分仪表和控制系统采用的都是进口产品，其中包括电磁阀在内的关键的核安全级仪控系统几乎完全被外国厂商所垄断。这样的局面，不仅使我国核电厂的安全运营受制于人，同时也制约了我国民族企业在核电领域的发展，大大增加了我国核电站的建造成本 J。

为改变这样的局面，国家近些年来-直在着力进行核电厂配套产品的国产化工作 ，包括电磁阀在 内的- 批产品的研发和生产取得了较大的进展。为保证核电厂配套产品的质量 ，国家能源局 、国家核安全局等部门规定了对核电厂用安全级设备的要求 ，对企业基本条件、设计制造过程、检验过程、交付过程和维修过程都有明确、严格的要求。

2.1 企业基本条件要求从事核级电磁 阀设计制造 的企业须满足 以下要求：应有良好的业绩，具有类似产品的时机制造经验和质量保证条件；应建立符合《HAF003核电厂质量保证安全规定》、《HAF601民用核安全设备设计、制造、安67浅谈核电厂用电磁阀 纪永武 ，等装和无损检验监督管理规定》、《HAF602民用核安全设备无损检验人员资格管理规定》、《HAF603民用核安全设备焊工焊接操作工资格管理规定》、《HAF604进口民用核安全设备监督管理规定》、《ASME NQA-1核设施质量保证大纲要求》等规定的质量保证体系；应获得国家核安全局颁发的相应级别的《民用核安全设备设计资格许可证》和《民用核安全设备制造资格许可证》。

从事核级电磁阀设计制造的企业应具有能够满足活动要求的设计人员、工艺人员、质量保证人员 ，焊工和无损检测人员应取得相应的上岗资质。设计、工艺及检测人员应较好地了解 、领会 ASME(美国工程师学会标准)、RCC-M(法国压水堆核岛机械设备设计建造规则)、RCC-E(法国压水堆核岛电气设备设计建造规则)等相关标准规范2.2 产品设计、制造的过程要求在核电厂用电磁阀设计制造过程中，坚持 四个凡事”的基本要求，即凡事有人负责，凡事有人监督，凡事有章可循 .凡事有据可查”。在整个过程中，严格按标准规范操作，按质量保证体系运行.有严格的文件要求，强调过程管理和可追溯性。

在核电产品设计过程中，严格按照标准执行。我国目前的核电标准体系尚不健全，在运行和在建核电厂选用技术及其采纳标准多有不同。核电仪表所涉及的标准繁多，常常需要参考多个(甚至几十个)标准做配套支撑，才能生产出合格的产品。我国大陆在运行和在建核电厂采用的标准情况如表 1所示。

表 1 在役和在建核电厂采用标准情况Tab.1 The standards adopted in nuclear power plants(in service and in construction)核 电 厂 采用标准秦山-期、中国快中子实验堆、三门、海阳大亚湾、秦山二期、岭澳、秦山-扩、秦山二期 3/4号机组 、红岩河秦山三期田湾、中国快中子实验堆中国快中子实验堆ASMERCC.MASMEl拿大标准roCTRCC.MR核电站用电磁阀设计采用 的主要标 准规范有 ：《HAF003核电厂质量保证安全规定》；《HAF601民用核承压设备安全监督管理规定》；(HAF J0053核设备抗震鉴定试验指南》；《HADO03/08核电厂物项制造中的质量保证》；《ASME BPV规范 II)；《ASME BPV规范II材料技术条件》；

3 核电厂用电磁阀的特殊要求、本质上说，核电厂用电磁阀和常规电磁阀没有区别。都是其自控系统中的执行单元或控制单元，对其基本的技术指标和性能指标的要求是-致的。比如 .核电厂对电磁阀的密封性、泄漏量 、电源变化、工作压差、防护等级、防爆要求、工作寿命等的要求与常规电磁阀基本相同。其特殊之处在于，由于安全的重要程度要求和事故后果的严酷性要求，核电厂在设计过程中必须对配套设备在正常工况、停堆工况、事故工况和退役工况的功能、性能进行严格的规定和要求。

本文主要以安全 1级工艺管路用电磁阀为例，介绍核电厂用电磁阀的特殊要求。

3.1 设计要求设计过程中，核电厂用电磁阀除满足常规要求外，还需要满足以下特殊要求。

① 寿命要求：满足40 a(二代改进型机组)或60 a(三代机组)的工作时间。

② 环境条件：适应正常、异常、设计基准事故(DBA)、PDBA (DBA之后持续-段时间内)的环境条件。

⑦ 能动阀门要求：能够在规定级别的载荷工况下实施功能，在规定级别的载荷加载期间和卸载之后不丧失功能，执行安全相关任务。

⑧ 重量和重心：满足电磁阀的重量和重心的制造偏差规定。

⑨ 阀位指示器及电气接插件：对阀位指示器及电气接插件提出了要求，要求电磁阀有阀位状态信号输出.显示电磁阀的开关状态.以便远程观察控制：电气68 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No.6 June 2013浅谈核电厂用电磁阀 纪永武，等接插件和整个电气系统-样，要能够经受相应级别的 主要分为四方面：电气鉴定试验，如 K1级产品要求的辐照老化、热老 第-，电磁驱动装置推(拉)力输出裕度。它指电化、震动、地震、反应堆失水事故等。 磁驱动系统有效推(拉)力与计算要求推(拉)力之差，⑩ 裕度设计：对电磁阀的设计裕度提出了要求， 除以计算要求推力。

输出裕度旦 至堕里堕重堑主薹兰垂 -女 ； ；二主上 × 0%第二，电磁驱动装置线圈裕度。由于多数电磁动 功能的试验，在每项鉴定试验前 、后均应进行此项试装置与阀门部分为整体性结构，其推(拉)力的直接测 验，以验证该鉴定试验对电磁阀性能的影响。我国目量较为困难，因此电磁驱动装置输出裕度可以采用易 前电磁阀的标准为《JB/T 7352工业过程控制系统用于测量的启动电压计算线圈裕度。 电磁阀》，规定的试验/检验项目如下：工作压差、绝缘线圈裕度 需 。% 曩 凳 、 篙 嚣式中：最小启动 电压是指使电磁 阀开始动作 的最低 间、机械振动影响、运输环境温度影响、运输碰撞影响、电J土。 外观、防护性。

第三，复位弹簧裕度。其计算公式如下：复位弹簧裕度量尘皇 × oo%式中：最大释放电压是指电磁铁铁芯吸合部分在复位弹簧以及重力等因素作用下脱离吸合时所产生的最大电压。

第四，其他设计裕度，指为保证电磁阀安全功能和工作性能而增加的裕度。

3.2 鉴定试验要求针对核电厂的特殊要求。规定了以下鉴定和样机试验的特殊要求。

① EMC(电磁兼容)试验：验证电磁阀的电磁兼容能力。包括发射和抗扰度试验。

② 冷热交变影响试验：验证对电磁阀的结构和运行可靠性的影响。

③ 热老化和工作循环试验：模拟电磁阀在最高正常环境温度下的鉴定寿命。

④ 机械老化试验：模拟进行预期的机械和电器磨损试验。

⑤ 辐照老化试验：模拟验证电磁阀在辐照状态下的预期状态。

⑧ 地震试验：验证电磁阀承受规定的地震载荷条件的能力。

⑨ LOCA(反应堆失水)试验：验证电磁阀在 LOCA事故期间和之后的功能保持能力。

3.3 基准试验项目基准试验是指依据电磁阀标准确定的验证电磁阀《自动化仪表》第34卷第6期 2013年6月实际应用中，-般是把产品标准的要求和核电厂的要求结合到-起，针对具体产品制定技术规格书，并在技术规格书的指导下运作。

① 工艺评定：焊接、热处理、锻造等特殊工艺应进行工艺评定。

② 污染防护：与回路流体介质接触的部件应避免氯、氟、铅、汞、硫、砷等元素的污染；不能使用润滑剂，并应避免氮化和镀层；不锈钢零件禁止与碳钢零部件直接接触；禁止使用二硫化钼作为润滑剂。

③ 无损检验：规定了承压件及受力元件的无损检验要求。包括适用于不同检验项目的 (液体渗透检验)、uT(超声波检验)、VT(目视检验)、RT(射线检验)、MT(磁粉检验)。

3.5 文件要求核电厂用电磁阀的另外-个特点是要求 的文件多.包括指导性文件和记录性文件。设计、制造、检验试验、交付等整个产品实现过程都要求有相关文件支持，包括设计证明文件 ，图纸、工艺文件，制造、检验和试验规程，质量保证文件等。

以上是核电厂安全 1级工艺管路用电磁阀的部分特殊要求，包括对电磁阀机械部分和电气部分的要求。

用于上述环境的安全级仪表电磁阀(1E/K1级)的要求与之相近。

4 结束语由于核电厂的特定应用环境条件以及对安全性、可靠性的严格要求 ，核电厂用电磁阀除满足常规产品(下转第 73页)69功能安全温度变送器设计和可靠性分析 周 亚 。等： lO.. 999 998 。。。0.09050801 835 。·。。。0P 0 041 667 333 0。。24 l1 0 J0 0 1 l状态 S[1 0 0]，则极限状态转移和初始矩阵表3 功能测试后的状态概率Tab.3 State probability after functional test由表 3可知.最后状态的值随时间的增长不断增大。对状态2的值取平均值，可得 JP肋 为0.001 04。

表4 低要求操作模式的SILTab.4 SIL in low demand operation mode对照低要求操作模式的安全完整性等级表，由于 10 <0.001 04<10～，因此 .可知此时变送器的安全完整性等级是 SIL2。1oolD体系结构的硬件故障裕度为0，安全完整性等级达 SIL2，需满足90%

4 结束语安全温度变送器采用 1oolD体系结构 .结合变送器两个微控制器的结构特点，将冗余结构的对比方法引入安全温度变送器之中：对模拟量采集拈 、数据处理拈和模拟信号输出拈进行诊断.实现了切实可行的诊断方法，有效控制了系统失效和随机失效；应用FMEDA分析失效模式和各模式对变送器的影响。使建立马尔可夫模型的结果可靠精确。