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王兰兰，张 乐 (中国核电工程有限公司，北京 100840) 摘要：为促进核电仪表管阀件的设计，促进设备的国产化，对仪表管阀件在核电站中的设计与应用以及核电站用仪表管件设计的特殊性进行了分析，并结合工程设计经验、现场反馈情况及对照不同堆型项目的类比情况，介绍了目前核电机组仪表管件设计中的重点和难点问题并提出了改进方案。对核级管件国产化的现状进行了分析和展望。 关键词：核电站；核级；仪表管件；选型；国产化 0 引言借鉴M310电站仪表管阀件设计、采购和安装调试的经验，同时借鉴AP1000项目的设计理念，提出了对应的解决方案，并进一步研究了相关方案在自主化项目ACP1000中的适用性。 1 仪表管阀件的设计原则1.1 仪表测量回路介绍及仪表管阀件功能 典型的仪表测量回路如图1所示。仪表管阀件作为仪表测量管路连接的重要组成部分，需保证与其相连的仪表满足设计功能要求，其设计和安装质量直接影响仪表及测量通道性能。  图1 测量回路典型图及管阀件示意图 1.2 仪表管阀件等级的制定原则 根据设备所执行的安全功能，对系统、设备和部件进行分级。仪表管阀件的安全等级应综合考虑相连的工艺管道、设备的等级及所连仪表执行的安全功能的等级来确定，从而确定出其在设计、制造、材料、检验、质保等方面的不同要求。[1] 设备的安全等级与规范等级、质量保证等级的关系如图2所示。  图2 安全等级与规范等级、质保等级的关系 1.3 主要仪表管阀件分类 1.3.1 仪表引压管 由于引压管直接接触工艺介质，所以管子的选择与被测介质的物理化学性质、运行条件有关。要保证整个工艺系统的完整性和工艺介质参数的准确测量，要求引压管具有一定的强度和密封性，因此仪表管道选择冷加工无缝钢管。按照仪表安装设计，仪表引压管主要包括公称管道(PIPE)和仪表管(TUBE)两种。 1.3.2 管件 标准件是按照仪表安装设计要求，根据仪表引压管的不同管径而选择的标准产品;非标准件根据Q/CNPE.J106.25《仪表管接头技术条件》的规定尺寸进行制造加工。 2 M310电站仪表管阀件现场典型问题分析2.1 引压管及管件规格种类多 容易导致设计选型错误，由于种类多，各个管件比较分散，增加了作难度，同时也影响现场施工。 2.2 等级划分复杂 在合同执行时，由于制造等级、质保体系的多样，给设备制造和项目执行带来了很多困难，且不利于多项目备货，设备增补周期长，严重影响工程进度。 2.3 管件材料要求多样 管件种类多，材料要求多样，导致单品种材料采购量小，采购困难，影响工程进度。 2.4 过程接口不统一 在以往工程中，由于设备采购周期较长，仪表管阀件数据表的出版进度早于安装图的设计进度，采购往往参照参考电站的材料量进行招标订货，而后期由于仪表供货厂家变更、上游专业变更、仪表选型变更等原因导致过程接口修改，造成仪表管阀件修改。 2.5 现场安装环境和工艺管道变化 由于仪控专业的附属性强，已经设计好的核级仪表管路由于现场安装环境的变化往往不完全适用，需要重新根据现场环境和工艺管道变化进行仪表管路径的设计，从而导致仪表管阀件种类和数量的变化，需要进行现场增补、修改等。 3 ACP1000仪表管阀件的设计改进3.1 引压管及管件的设计改进 3.1.1 项目设计方案分析 M310多个工程项目设计思路不统一，致使各项目中仪表引压管类型、尺寸不尽相同。具体情况分析如表1所示。表1中，1″=2.54 cm。 表1 引压管及管件在M310各电站的设计方案  项目代号仪表隔离阀之前仪表隔离阀之后0015/0426/0706NSSS3/8″OD1/4″ODBNI1/4″PIPE1/4″OD0401/0738NSSS3/8″OD3/8″ODBNI1/4＂PIPE3/8″OD AP1000：仪表隔离阀前后的仪表管均为3/8″仪表管。 通过表1可以看出，M310堆型中仪表隔离阀前的引压管主要有两种类型，分别是3/8″ TUBE管和1/4″ PIPE管，而仪表隔离阀之后都是采用的TUBE管。AP1000三代电站均采用TUBE管。 由于仪表引压管类型不统一，技术参数复杂，造成了相应的管接头种类繁多。以方家山项目为例，标准管件就有89种。 仪表引压管及管件种类多，容易导致设计选型错误、增加采购成本，采购和储备备品备件都较困难，现场增补周期长，影响现场施工进度。 3.1.2 ACP1000设计改进方案 3.1.2.1 TUBE管与PIPE管的选择分析 PIPE管机械强度大，不易弯曲成形，变向需要额外增加匹配的接头，造成管接头种类数量较多，另外PIPE管连接只能采用焊接和螺纹连接，会增加很多非标管接头。 TUBE管机械强度也较大，由于易成形，现场弯制时不需要额外加弯头，可以减少管接头，方便敷设，由于节省了大量管接头，可以降低工程造价;在与管件的连接方面，TUBE管可以采用焊接，也可直接与卡套接头相连，拆卸维修非常方便，并且卡套接头已在国际上其他行业更苛刻的温压环境下广泛应用，属于业内成熟技术，也广泛用于核电站仪表安装设计中，且现场安装方便，对缩短安装工期有推动作用。 因此，仪表引压管及管件的设计改进方案为：统一取源管的规格为TUBE管，这样就简化了管接头的种类，不仅设计工作更加标准化，且接口更简化，节约了采购成本，对缩短安装工期起到了推动作用。 3.1.2.2 TUBE管规格的确定 如表1所示，在M310电站中，NSSS图册部分的仪表管路，在根阀和仪表隔离阀之间的引压管都采用的是3/8″ TUBE管，BNI图册部分使用1/4″ PIPE管，在安装和运行中均使用良好，根据对TUBE管与PIPE管的选择分析，统一采用3/8″ TUBE管，同时引进的国外三代核电AP1000电站，也是采用同样规格的仪表管，与三代电站先进技术保持一致。 对于二次阀与仪表之间的管路，在国内外M310堆型多个在役核电站中有的选用3/8″ OD管，有的选用1/4″ OD管，均使用良好。根据核电现场反馈，3/8″ OD管在敷设时由于管径大，弯曲半径不易满足要求，对于根阀和二次阀之间的长管路敷设不存在问题，但对于二次阀和仪表之间的短距离敷设，由于敷设空间有限，变方向需要弯管较多，选择3/8″ OD会给现场施工带来许多困难，因此根阀和二次阀之间考虑采用1/4″ OD TUBE管。 综上所述，在自主化项目中，对仪表引压管的设计，拟作出如下优化改进：根阀与二次阀之间的仪表引压管统一采用3/8″ OD TUBE管,二次阀与仪表之间统一采用1/4″ OD TUBE管。 改进前后的对比图如图3所示。  图3 引压管改进前后安装标准图对比 改进后，仪表管路设计更加标准化，接口也得到了简化，仪表引压管规格和种类大幅减少，仪表管件的数量相应大量减少，这样不仅节约了采购成本，也降低了现场施工难度，有利于现场施工修改、仪表引压管及管件的急需增补和备品备件的储备，为工程进度提供了保障。 3.2 统一质保等级 3.2.1 工程项目设计方案分析 由于仪表管路需要保证与其相连的仪表控制系统功能的实现，因此，仪表管阀件在设计、制造、材料、质保等方面有着十分严格的要求，致使仪表管阀件的等级划分十分复杂，以M310项目为例，具体见表2。 以0015/0426/0706/0819项目为例，BNI图册部分的核级仪表所用的管阀件质保等级为Q1；其余质保等级均为Q3；NSSS图册部分的管阀件几乎全部采用的是Q1，RNS取样间的仪表管阀件均为Q2，设计原则不统一。 表2 仪表管阀件在项目中质保等级设计情况  项目质保等级(阀门)质保等级(阀组)0015/0426/0706/0819Q1：384个Q2：24个Q3：177个Q1：252个Q2：16个Q3：127个0401/0738Q1：383个Q2：12个Q3：562个Q1：312个Q2：14个Q3：204个 3.2.2 ACP1000设计改进方案 根据以往项目经验，对卡套管件而言，即使设计质保等级不一样，厂家从生产加工制造检验以及质量保证一直以来都按照统一质保等级供货，即都按照Q1 执行，即价格不受影响。仪表隔离阀和非标管件，根据以往项目的经验，Q2的均布置在RNS取样间，其大部分设备为工艺设备，在ACP1000项目中该部分已经从仪表管阀件规格书中剥离出来，隶属于布置专业单独负责并进行设计采购。 综上分析，ACP1000仪表管阀件的质保等级考虑划分为Q1+Q3，1E级或NC级的抗震仪表所用的管阀件质保等级统一为Q1；其余质保等级均为Q3。统一质保体系，既能方便供货商供货，降低采购成本，减少备品备件仓储费用，便于采购备货及多项目协调等，更利于后续项目的通用性和互换性，保证各项目建设工期。 3.3 统一管件材质 3.3.1 工程项目设计方案分析 以往M310工程项目中卡套材料主要有316和316L两种，具体情况分析如下： 0015：管阀件数据表中规定卡套接头为316，卡套堵头为316L； 0401：管阀件数据表中规定卡套接头有316L和304L两种； 0706/0738：RCCM 2/3级别的卡套，本体和螺母为316L，卡环不限。RCCM E篇的，不作要求。 材质多样造成种类繁多，设计不统一，不利于群堆管理和设备的互换，也给设备采购和项目执行带来许多困难。 3.3.2 ACP1000设计改进方案 由于卡套管件本体直接接触工艺介质，所以卡套管件本体的选择与被测介质的物理化学性质、运行条件有关，特别是与一回路介质接触的管件，其管件材质的一些化学元素都有严格的要求，特别是对钴含量的控制要求比较严格，同时卡套管件本体还要求具有一定的强度、密封性和耐腐蚀性，因此要综合考量。根据以往项目执行经验，316L比较容易控制钴含量，因此本体材料选择316L，卡环由于涉及产品的专利技术，为保证其密封性要求一定的硬度，且不与介质接触，因此对卡环材质不做限制。这样统一材质不仅可以简化设计，降低采购成本，便于采购操作，且可以方便多项目备货，有利于采购协调。[2] 3.4 固化接口 3.4.1 工艺接口 在参考项目中，BNI图册部分工艺与仪控的接口是严格按照企标文件Q-CNPE.J101.9～13《设备和管道上管嘴的设计、制造和安装的总体技术要求》进行约束，但NSSS图册接口部分多样化，接口种类繁杂，因此在ACP1000项目中要求统一按照企标文件来约束接口，这样也可以减少管阀件的种类。 3.4.2 仪表接口 在合同签订阶段要求仪表供货商按照仪表类型对仪表过程接口进行固化，从而精简仪表管阀件种类，使设计工作更加标准化。 3.5 采用三维设计模式 自主化设计项目借鉴了AP1000的先进经验，在PDMS三维设计软件中进行仪表管的三维设计。 (1)三维设计软件比较直观，任何专业的改动都直接体现在软件里，在施工图正式出版前进行多专业的综合、碰撞检查工作，可以减少由于现场安装环境变化而导致的管阀件修改变更； (2)可以直接利用三维设计软件对仪表管路进行路径设计，无需对管线进行二次设计，避免了由于二次设计造成的管件增补现象； (3)采用三维设计可以对管阀件的元件库、等级库进行标准化设计，精简管阀件种类，减少选型错误。 4 结束语核电用仪表管件在选型设计过程中，在保证管件正常性能的基础上，还应当充分考虑到核电站中仪表安装材料的特殊性，综合考虑到辐照、密封、承压、特殊工作环境等方面的要求。核电用仪表管件针对性的特殊设计、完整的实验或应用情况证明，确保了核电用仪表管件的安全性和可靠性，这是核电仪表管件选型中需要重点考量的一个方面，也是管件国产化过程中的重要环节。 参考文献： [1] 法国核岛设备设计、建造及在役检查规则协会(AFCEN).压水堆核岛机械部件设计与建造规则(2000年版)及适用的增补款与修改单(2002年补遗)[S]，2002. [2] 冯德清.仪表工程施工应注意的几个问题[J].石油化工自动化,2003(2):78-80. Design and Application Research of Nuclear Grade Instrumentation Pipe Valve in Nuclear Power Plant WANG Lan-lan, ZHANG Le (China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China) Abstract:To optimize the design of nuclear power instrumentation pipe valve and promote the localization process, the design and application of instrumentation pipe valve in nuclear power plant and the speciality of nuclear power instrumentation pipe valve were analyzed. The important and difficult problems of nuclear power instrumentation pipe valve were introduced and improved scheme was proposed combining with the engineering design experience and field feedback and comparing with different stacked projects analogy situations. The analysis and expectations to domestication situation of nuclear grade pipe fittings were given. Keywords:nuclear power plant; nuclear grade; instrumentation pipe fittings; model selection; domestication 中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号：1004-9614(2017)05-0057-04 作者简介：王兰兰(1985—),工程师，从事核电站核辅助系统的仪控设计和科研工作。 收稿日期：2017-08-28 |
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