До настоящего времени поворотная арматура не находит большого применения на Российских АЭС. В основном применяются задвижки и вентили (клапаны). Большинство Российских АЭС укомплектованы именно ими. Среди более чем 300 типоразмеров арматуры, представленной в каталогах арматуры имеется только одна дроссельная заслонка специального исполнения на облегченные параметры (Гуревич Д.Ф., Ширяев В.В., Пайкин И.Х., Арматура атомных электростанций, Спр. пособие, М., Энергоиздат, 1982, 306 стр.).

Однако за прошедшее время сделаны значительные успехи в освоении современной поворотной арматуры для сред высоких энергетических параметров, в которых ранее преобладала арматура с поступательным движением штока. В развитых странах в целом поворотная арматура составляет до 40% общего количества применяемой общепромышленной арматуры, и ее доля продолжает увеличиваться. С развитием конструкций металлических уплотнений поворотные заслонки на сегодняшний день имеют возможности комплектации контуров АЭС с параметрами до 400 Бар и температурах до 600оС (реакторы РБМК) или до 1400оС (гелиевые турбины) в диапазоне проходных диаметров Ду от 10 до 2500мм и более. Если в Российском проекте АЭС Куданкулам (Индия) поворотная арматура составляла незначительную часть, то в проекте АЭС Бушер (Иран) ее доля уже превысила 40%. За рубежом она широко применяется во Франции, Финляндии, Южной Корее и других странах. 

В РФ используются два основных типа реакторов, типа ВВЭР и РБМК. ВВЭР – это водо-водяной реактор, где теплоносителем является вода без кипения и РБМК – это канальный реактор большой мощности, где теплоносителем является вода под давлением, превращающаяся в пар. Данные по используемым реакторам приведены в табл.1.

Табл.1. Характеристики реакторов АЭС в РФ

Как видно, энергетические параметры среды на трубопроводах и системах АЭС существенно ниже, чем на ТЭС. Так, температуры рабочей среды составляют 280-322оС при давлении 6-7 МПа, тогда как на ТЭС температуры достигают 650оС, а давление 33Мпа и продолжают увеличиваться. В тоже время диаметры трубопроводов АЭС значительно больше, чем на ТЭС.

Полная тепловая схема и энергетическое оборудование станции состоит из следующих узлов:

-реакторное;

-парогенерирующее, включая трубопроводы питательного тракта и деаэратора, главных паропроводов и пускосбросных устройств, трубопроводов промежуточного перегрева пара;

-паротурбинное, включая турбину и обслуживающие трубопроводы;

-конденсационный, включая конденсатор турбины и конденсатно-питательный тракт;

-пусковой, состоящий из пусковой схемы станции и трубопроводов пара собственных нужд;

-емкостное хозяйство станции и др. вспомогательные контуры.

Применение поворотной арматуры на АЭС имеет свои особенности, связанные с характером обеспечения самого теплового процесса на атомных электростанциях. Надежность работы арматуры на АЭС имеет преобладающее значение по сравнению, например, с работой арматуры на ТЭС. Выход из строя арматуры может повлечь за собой непредсказуемые последствия и привести к катастрофе. Поэтому к выбору арматуры для АЭС необходимо подходить наиболее тщательно, подтверждая надежность высоким уровнем испытаний и документирования.

В настоящее время в связи с разделением всех контуров по категориям на наиболее опасные (1й контур) и менее опасные, арматура также должна отвечать этим требованиям. В тоже время значительное число единиц арматуры сертифицируется по обычным правилам Ростехнадзора для участков, где вероятность аварии и радиоактивного загрязнения отсутствует. В частности к ним относятся многие позиции энергетической арматуры, для которых в настоящее время используются стандартные типоразмеры энергетической и общепромышленной арматуры.

Надежность арматуры должна быть связана не только с обеспечением общей безопасности, но и обеспечивать гарантии долговременной надежности в эксплуатации, поскольку наиболее предпочтительным режимом эксплуатации АЭС является как можно более длительный и безостановочный. Это связано с особенностями выработки пара в реакторах АЭС по сравнению с более маневренными режимами ТЭС. В частности, одной из задач сегодняшнего дня является перевод работы АЭС на четырехлетний цикл обслуживания с сокращением количества дней остановов и соответствующим повышением коэффициента использования оборудования. По отношению к арматуре это означает, что ее коэффициент готовности должен быть увеличен и применены новые системы обеспечения ее гарантированной работы на основе документированной автоматизированной диагностики или самодиагностики. Переход станций на двухлетний межремонтный период должен обеспечиваться соответствующими диагностическими устройствами и возможностью полной интегрированной диагностики клапанного узла с развитием до диагностики контура в целом, включая датчики и логические контроллеры.

Исчерпание расчетного срока эксплуатации многих станций поставило вопрос о продлении срока эксплуатации. Немаловажным вопросом при этом становится повышение надежности и безопасности эксплуатации станций и соответствующая модернизация арматурного хозяйства. В новых проектах, например, «проект АЭС – 2006» закладывается проектный срок службы до 60ти лет при полном соответствии международным нормам безопасности. При этом повышаются и относительные показатели эксплуатации, в частности, межперегрузочный период должен составлять не менее 24 мес., а коэффициент технического использования не менее 92%.

Исходя из этих цифр, нормируются значения для арматуры, в частности значения вероятности безотказной работы (ВБР). Например, для запорно-регулирующей арматуры системы аварийного расхолаживания цифры ВБР составляют 0,96 для регулирующей арматуры за период до капитального ремонта и 0,995 для запорной арматуры при 25 циклах. Значения ВБР должны быть подтверждены расчетом при проектировании.

Надежность обеспечивается и параметрами ремонтопригодности. Так, назначенный ресурс должен составлять до 500 циклов, коэффициент оперативной готовности не менее 0,999, время восстановления не более 72 ч и срок до капремонта не менее 12 лет. Эти данные показывают, что должны применяться наиболее совершенные решения для обеспечения надежности. В частности, следует применять решения с повышенными возможностями диагностики, легкости обслуживания и ремонта без снятия с трубопровода, например, со специальными люками для обслуживания. Компания AREVA, Франция уже внедряет у себя технологии ремонта арматуры без снятия с трубопровода, что обеспечивает уменьшение времени ремонта и снижение его стоимости. При этом нет необходимости в новой проверке трубопровода и его гидравлическом испытании.

Как видно, усложнение самой арматуры и увеличение доли ее интеллектуализации значительно повышают требования к качеству сервисного обслуживания. Многие компании начинают переходить к специализированному ремонту арматуры, выделяя ее из общей ремонтной спецификации и приглашая для этих целей специализированные компании. Тенденция к переходу на вешнее сервисное обслуживание, сопровождаемое внедрением новых технологий ремонта по результатам диагностики, будет все более проявляться в ближайшем будущем.

Работа реакторов обеспечивается контурами, обвязанными трубопроводами. К главным трубопроводам относятся трубопроводы первого и второго контуров, паропроводы от парогенератора к турбинам, трубопроводы пара промежуточного перегрева, основного потока конденсата и питательной воды. Условный проход (Ду) этих трубопроводов характеризуется Ду 100-900мм. Так, на АЭС с реактором ВВЭР-1000 контур принудительной циркуляции имеет Ду 850мм, на АЭС с реактором ВВЭР-440 главный циркуляционный контур имеет Ду 496мм. Вспомогательные трубопроводы обеспечивают работу станции. К ним относятся трубопроводы подпиточной воды, сливные, дренажные, продувочные и т.п.

К арматуре главного контура предъявляются наиболее высокие требования. Она должна быть наиболее надежна в условиях работы в радиоактивной среде. Материал деталей арматуры должен быть наиболее надежен в условиях радиоактивного загрязнения, особые требования предъявляются не только к внутренней, но и внешней герметичности (по отношению к окружающей среде). В частности, должна быть подтверждена вакуумплотность уплотнений арматуры. Обеспечиваются специальные элементы внутреннего дренажа и стока в специальную канализацию. Это связано с тем, что вода или пар первого контура содержат твердые радиоактивные окислы, оседающие на стенках трубопровода и арматуры.

Поскольку степень радиоактивности среды зависит от количества окислов, образующихся в связи с коррозией металла, то главные трубопроводы и арматура изготавливаются, как правило, из коррозионностойких аустенитных сталей с приварными концами. Все элементы главного контура должны быть доступны для тщательной обработки, очистки, промывки и дренажа. Наиболее ответственные участки главных трубопроводов для надежного отключения паропроводов от турбин имеют двойное резервирование за счет установки сдвоенных клапанов. При этом основным способом повышения надежности обычно принимается резервирование. В связи с этим многие узлы имеют сдвоенные и спаренные арматурные единицы.

Особенностью паротурбинных установок АЭС является работа на насыщенном паре относительно невысоких параметров с частым характерным двухфазным течением. Это налагает на арматуру определенные требования, не всегда учитываемые в спецификациях ТЭС. В частности, ими могут быть повышенные требования к стойкости к теплосменам и термоциклированию, меньшая склонность к короблению и термодеструкции уплотнений, выдерживание множества циклов давлений и непрямых гидравлических ударов при частых снарядных видах течения теплоносителя и др.

Кроме гидродинамических требований другими требованиями могут быть требования к снижению виброактивности и высокой сейсмостойкости арматуры. Это накладывает ограничения на весогабаритные показатели арматуры. Повышенная опасность должна учитываться в возможности длительной работы без обслуживания или быстроте обслуживания и самодиагностике.

С этими требованиями сопряжены и требования к высокой компактности арматуры, поскольку до 30% используемой арматуры первого контура расположено в защитой оболочке. В связи с этим вырастают требования к уменьшению общего количества арматуры и применению новых конструкций арматуры, обеспечивающей одновременно свойства и запорной и регулирующей арматуры при соблюдении требований категории безопасности не ниже SIL3. Многие компании уже имеют в своем арсенале подобные клапаны на основе поворотной арматуры, рис. 1. 

Рис. 1. Шаровой кран компании Метсо в запорно-регулирующем исполнении с сертификацией по SIL3 для работы на циркуляционных насосах АЭС

 

Особенности работы арматуры в различных узлах

Особенностью арматуры, работающей в контуре конденсатора, является требование вакуумплотности. Для защиты турбины на линиях отбора пара вблизи ее корпуса устанавливаются обратные клапаны с гидроприводом. Деаэратор обслуживается клапаном – регулятором греющего пара, поддерживающим постоянное давление в деаэраторе, а на линиях подвода пара устанавливаются предохранительные клапаны.

Особое внимание уделяется контурам аварийной защиты. При авариях пар должен быть сброшен и попасть в конденсатор турбины. Для станций с реактором РБМК устанавливается барботер в сочетании с технологическими конденсаторами. Система оснащается быстродействующей арматурой, поскольку разгон реактора может происходить в считанные секунды.

Требования к конструкционным материалам

Выбор конструкционных материалов проводится на основании табл.3.

Табл. 3. Конструкционные материалы для трубопроводов и арматуры АЭС

Типовой объем испытаний сталей приведен в табл.4.

Табл. 4. Вид испытаний материалов основных деталей арматуры

*Примечание:

Арматура АЭС по условиям эксплуатации и возможности проведения ремонтных работ делится на 1, 2 и 3й классы. Арматура классов 2 и 3 в зависимости от рабочего давления подразделяется на группы. Класс и группа соответствуют категории и группе сварных соединений.

К классу 1 относится арматура, которая по условиям эксплуатации контактирует с вредными для обслуживающего персонала средами и недоступна для ремонта после монтажа или в процессе эксплуатации.

К классу 2 относится арматура, которая по условиям эксплуатации контактирует с вредными средами, но доступна для ремонта, а также не контактирует с вредными средами. К группе А относится арматура, работающая под давлением свыше 5 МПа, к группе Б – арматура, работающая под давлением до 5 МПа и под вакуумом.

К классу 3 относится арматура, которая не контактирует с вредными средами и доступна для ремонта.

Учитывая особенность применения арматуры в средах АЭС, характеризующихся наличием больших объемов влажного пара, особенное значение должно придаваться стойкости против щелевой коррозии (размыв поверхности материала затвора струей влажного пара, движущегося с большой скоростью через щель) и противоударной эрозии (разрушение поверхности, вызванное ударами капель воды, движущейся с большой скоростью).

Материалы наплавок не должны иметь кобальта, являющегося частью компонентов традиционных стеллитов. Продукты износа стеллитов, попадая в среду первого контура, загрязняют его радиоактивностью, что недопустимо.

При выборе материала для сальника учитывают, что часто материал сальника может стать накопителем хлоридов. Во влажной среде это приводит аустенитные стали к хлоридному растрескиванию. В частности, это означает, что для повышения стойкости к хлоридной коррозии, эффективно проводить пассивацию по отношению к хлоридам.

Для сальников арматуры, работающей в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем, использовать графит недопустимо из-за вероятности науглероживания оборудования жидким натрием.

Общие требования к арматуре АЭС и особенности обеспечения их при применении поворотной арматуры показаны в табл.2.

 

Табл. 2. Требования к арматуре АЭС и особенности обеспечения их при применении поворотной арматуры

Основываясь на основных доказанных преимуществах поворотных клапанов перед седельной арматурой (вентили) и линейно-поступательного типа (задвижки) могут быть предложены следующие пути модернизации арматурного хозяйства АЭС, табл.5.

 

Табл. 5. Заменяемость арматуры АЭС на поворотную арматуру на примере арматуры Метсо

Для энергоблоков с реактором типа РБМК

Поворотная арматура может быть применена для контуров:

Барабана – сепаратора

Турбины высокого давления

Сепаратора

Промежуточного пароперегревателя

Турбины низкого давления

Охлаждения электрогенератора

Ионно-обменных и механических фильтров

Регенеративных подогревателей низкого давления

Деаэратора

Питательного насоса

Главного циркуляционного насоса

Для энергоблоков с реактором типа ВВЭР

Поворотная арматура может быть применена для узлов и контуров:

Компенсатора объема

Парогенератора

Цилиндра высокого давления

Регенеративного подогревателя высокого давления

Сепаратора

Промежуточного пароперегревателя

Цилиндра низкого давления

Конденсатора конденсатного насоса и конденсатно-питательного тракта

Регенеративного подогревателя низкого давления

Деаэратора

Питательного насоса

Главного циркуляционного насоса

Для энергоблоков с натриевым реактором

Поворотная арматура может быть применена для узлов и контуров

Главного циркуляционного насоса

Промежуточного теплообменника

Узла натриевого насоса второго контура

Компенсатора объема

Промежуточного перегревателя пара

Испарителя и перегревателя парогенератора

Цилиндров высокого и низкого давления турбины

Конденсатора, конденсатного насоса и конденсатно-питательного тракта

Регенеративных подогревателей низкого давления

Деаэратора

Питательного насоса

Регенеративного подогревателя высокого давления

Наш обзор показывает, что применение поворотной арматуры является важным звеном общего повышения качества применяемой арматуры на АЭС. Она полностью соответствует требованиям, предъявляемым к современной арматуре, способна заменить большую часть запорно-регулирующей арматуры возвратно-поступательного типа на атомных станциях. Поворотная арматура применима в большинстве основных контуров атомных станций с различными типами реакторов. 

Во многих случаях поворотная арматура отвечает более высоким требованиям будущих атомных электростанций и рост ее использования уже заметен. Примерами тому являются поставки ее на недавно построенные и строящиеся станции Индии, Ирана, Южной Кореи и Финляндии. С ростом установленных поворотных клапанов, накоплением опыта эксплуатации, соответствующим изменением регламентирующих и нормативных документов применение поворотной арматуры будет проходить в более широких масштабах.