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一、概述
乏燃料后处理技术始于二十世纪六十年代，其目的是将反应堆中辐照过的燃料，通过物理和化学的方法，回收未烧尽和新产生的铀和钚，并除去裂变产物。通过后处理得到的铀和钚可返回到反应堆中重复使用，从而实现核燃料循环。目前世界上从事商业后处理的国家有法国、英国、俄罗斯、日本、印度等，其中法国和英国的商业后处理水平处于世界领先地位。法国的阿格工厂年处理量达到1700t/a，英国的Thorp后处理厂，年处理量达到900t/a。我国的乏燃料后处理商业规模稳步向英法看齐。
随着乏燃料后处理商业规模的发展壮大，在我国后处理厂建设中，对阀门的性能、安全可靠性的要求越来越高。乏燃料后处理工艺系统中涉及大量管路，这些管路中需要数以万计的阀门来确保整个工艺系统的正常运行。本文通过对后处理阀门进行详细分类，在充分考虑乏燃料后处理过程的安全可靠性、功能性、可操作性和经济性条件下，对乏燃料后处理阀门进行选型。在阀门设计中充分考虑阀门的抗辐照性能、抗腐蚀性能、阀门的强度和刚度要求、密封性能以及使用寿命。在乏燃料后处理工艺管路中，由于含大量放射性和腐蚀性介质，因此工艺阀门的应用场景与结构研究中，根据特定环境对阀门进行特殊选型和设计。


二、阀门的分类
阀门可按驱动方式和用途进行分类。
按驱动方式分类可分为：
1）自动阀门，不需要外力驱动，依靠介质自身能量驱动阀门，如止回阀、安全阀、减压阀、疏水阀；
2）能动阀门，借助动力进行操作或驱动的阀门，后处理工艺系统中多为手动、电动和气动阀；
3）穿地阀门，阀体贯穿地面屏蔽层，阀门主体位于放射性较高的一侧（屏蔽层下方），用于中高放射性管路的阀门。穿地阀门利用执行机构带动阀杆延长杆进行操作。多为手动或气动的波纹管截止阀；
4）远传阀门，阀门与执行机构通过远传机构连接，远传机构贯穿屏蔽层（墙体），阀门位于放射性较高的一侧，用于中高放射性管路的阀门。远传阀门利用万向接头和传动轴进行操作，多为手动或电动的球阀、蝶阀、波纹管截止阀。若力矩较大，可加齿轮箱等减速装置。

按用途分类可分为：
1）开关阀，开关阀为用于截断或接通管道介质的阀门，如截止阀、球阀、蝶阀；
2）调节阀，调节为用于调节和控制管路中介质流量或压力的阀门，如节流阀、调节阀、和减压阀；
3）分配阀，分配阀为用来改变管路中介质流向的阀门，如三通球阀、疏水阀；
4）安全阀，安全阀为防止压力容器等设备中介质的压力超过规定值，对设备提供超压保护的阀门；
5）止回阀，止回阀为用来防止管路中介质倒流的阀门。

三、阀门的选型与设计
3.1 阀门选型
对于乏燃料后处理阀门的选型，要保证其安全可靠性、功能性、可操作性和经济性。首先根据工艺系统要求明确阀门的安全性能要求（如安全级别、抗震类别、质保等级等）。其次根据阀门的公称参数、介质特性和环境特性（如公称压力、公称直径，介质的温度、压力、流量特性，环境和介质的辐照剂量、酸碱腐蚀性等）明确阀门的材料、用途和类型。再次结合工艺系统和安装、操作、维修等因素选用合适的阀门结构和驱动方式，确定阀门与管道的连接方式等。

3.2 阀门分级
阀门属于化工设备，分为安全级阀门（RS-1、RS-2）和非安全级阀门（NR（S）、NR），在工程中数量比例约为1：3。RS-1阀门指包容大量放射性物质且失效会导致事故工况的阀门；RS-2阀门指包容少量放射性物质且失效会导致事故工况的阀门；NR（S）阀门为有特殊要求的非安全级阀门，是安全相关的重要阀门，但其失效不会使相关人员所受辐照剂量超过规定限值。

表1 阀门安全级别分类

放化安全级阀门都归入抗震1类要求，抗震1类阀门根据不同的功能，分为抗震1I类阀门和抗震1A类阀门。1I类阀门在极限安全地震震动（SL2）载荷下能够保证其结构的完整性，并未提出对变形的限制要求；1A类适用于能动阀门装置，除要求保证结构的完整性外，还要求地震时和地震后具有可运行性。NA标识无抗震要求。
质保等级分为质量保证QA1级、质量保证QA2级、质量保证QA3级和非核质量保证QAN级，其中非标准化生产且工作环境恶劣的RS-1阀门对应QA1级，其余RS-1阀门和非标准化生产且工作环境恶劣的RS-2阀门对应QA2级，其余RS-2阀门和NR（S）阀门对应QA3级、NR阀门对应QAN级。
目前，国内关于乏燃料后处理工程的工艺阀门，没有明确的规范等级，只能参照能源行业标准和相应国标进行设计和制造。

3.3 阀门的基本设计要求
（1）阀门抗辐照性能
设计上应考虑阀门的材料和结构，实现抗辐照的要求。阀体选用与管道材质一致的不锈钢材料（不锈钢满足抗辐照性能），阀门其他零部件材料选配要求耐辐照、老化材料。阀门结构上尽可能减少放射性附着和积液，阀门与介质接触表面，其粗糙度的精度要求不低于6.3μm，以减少放射性介质附着，降低维修时对人员的伤害。
（2）阀门抗腐蚀性能
设计上从阀门材料的角度考虑阀门的抗腐蚀性能要求。阀门材质选配要求耐硝酸等介质腐蚀。在核电系统中，多使用石墨作为填料或密封圈，但乏燃料后处理工程中经常使用硝酸介质，硝酸腐蚀石墨，建议用PTFE、F46等耐腐蚀的材料代替。
（3）阀门强度和刚度
设计上应考虑阀门的主要部件持久或瞬时的压力下各种载荷的作用力，而不应出现明显的弹塑性变形。除常规强度计算外，还应采用有限元应力分析和抗震计算分析等方法来确保阀门产品的可靠性。对于1A类阀门，还必须做抗震实验来确保阀门的可靠性[8]。
（4）阀门密封性能
由于工艺介质大多带有放射性和腐蚀性，因此不允许有任何外漏现象发生，必须在阀门的结构设计、密封件（波纹管、填料、垫片等）的选用、材料和成品的质量检测控制等方面，采取严格有效地措施来保证。放化安全级阀门的密封性保证，除试验验证之外，必须在结构设计上采取有效措施，包括采用多重措施保证，如各种波纹管密封阀杆等。
（5）阀门使用寿命
无论放化安全级或非安全级阀门，设计时要求其阀体、阀盖等主要承压件其寿命与厂房寿命相同，对于易损件，要求其更换周期应满足运行周期的要求。阀门设计应尽量减少维修次数和缩短维修时长。

3.4 阀门的材质
用于制造阀门的所有材料均应符合现行的国家标准或行业标准的规定，并具有材料生产厂家的出厂合格证。制造厂对采购的材料化学成分及机械性能按现行国家标准规定进行复验、并出具复检合格证明。有放化安全级要求的阀门，材料可参照RCC-M或ASME相应标准采购并进行复验。
乏燃料后处理工艺系统采用不锈钢阀门，其阀体、阀芯、阀瓣及所有过流件均为不锈钢材料，不应有晶间腐蚀倾向并进行晶间腐蚀试验。阀门中使用的螺栓、螺母、垫圈等要使用不锈钢材料并满足标准要求。
放化安全级阀门材料必须具有良好的耐蚀性、抗辐照、抗冲击和抗晶间腐蚀性能，如选用低碳奥氏体不锈钢作为主体材料（阀体一般与管道材质保持一致，为不锈钢材料），并选用一些强度、韧性和耐压、抗腐蚀、抗冲蚀、抗擦伤等性能优越的合金材料阀杆或密封面等零件（如密封面堆焊司太立合金，耐磨、耐蚀，如波纹管截止阀的波纹管和球阀的密封副使用inconel合金等）。对于放化安全级阀门，阀门主体及执行机构主体都应为不锈钢材质，尤其是要求阀门与管道对接焊接的阀门（尤其是RS-1阀门），要求为低碳不锈钢锻件材料。其他阀门主体为不锈钢，手轮等执行机构可以是碳钢材料。

四、工艺阀门的应用场景与结构研究
（1）截止阀
截止阀是后处理工程中最常见的开关阀，流阻大，用于对流阻要求不高的水平管路上。截止阀适用于中小口径的管路（不大于DN200），锥面密封或平面密封应用偏多，通常为填料式截止阀和波纹管截止阀。纯填料式的截止阀应用较少，应用于无放射性或中低放环境中，输送低温低压介质（去离子水等），波纹管截止阀应用广泛，用于输送含放射性或腐蚀性的介质、压空或是温度压力较高的蒸汽等。截止阀采用上螺纹阀杆截止阀，避免介质与螺纹接触，产生放射性沾污。根据管路布置需求，直通式截止阀应用最多，部分管路采用角式截止阀。
（2）球阀
球阀是后处理中常见的阀门，常作为开关阀使用。球阀具有最低的流阻，应用于公称直径不大于DN80的管路上。安装在竖直或水平的管路上。无特殊原因，采用全通径式球阀，考虑到检修的便捷性，对于焊接连接的球阀，采用上装式结构，方便在线维修。在公称直径且公称压力较低时，考虑浮动球式球阀。公称直径或公称压力较高时，考虑固定球式球阀。球阀密封面一般选用耐辐照且耐酸碱腐蚀的硬质合金材料。
（3）蝶阀
蝶阀在后处理工艺系统中应用于公称直径大于等于DN80的管路上，对气体（如蒸汽、呼排气、蒸发尾气等）及对含颗粒料液（如粉料、悬浊液等）的输送。蝶阀的优点是与其他同级阀门相比结构短小简单，重量轻，启闭迅速，但是流阻较大。蝶阀可竖直或水平安装在管路上，适合应用于空间紧张的后处理厂房中。在放射性环境中选用硬密封且三偏心结构的止回阀，三偏心结构相比中线、单偏心和双偏心结构，阀门的密封性能更好，操作力矩更小，能降低密封面在启闭瞬间的磨损。
（4） 止回阀
止回阀在后处理工艺系统中应用广泛，起到防止介质倒流、防止容器介质泄放的作用。止回阀一般按方向标识水平或竖直安装在管路上，多为升降式或旋启式结构。旋启式止回阀一般应用于公称直径不小于DN80的管路上，当旋启式止回阀安装于水平管路时，阀门密封副应与竖直方向存在一个夹角，以保证阀瓣与阀座能紧密接触。当旋启式止回阀安装于竖直管路上时，仅适用于自下往上流动的介质。升降式止回阀公称直径一般不大于DN80，分为带弹簧和不带弹簧两种。不带弹簧的升降式止回阀结构简单，但容易卡死，不能正常复位。带弹簧的升降式止回阀复位可靠，但在低压差工况下容易导致阀瓣不能完全开启导致流阻变大。
当止回阀用于红区和橙区的边界（竖直管路，介质正常流向为由上至下），在防止物料逆向窜料的同时，还应保证密封副在极低压差条件下的密封性。采用立式升降式结构，阀瓣通过弹簧复位，对于弹簧的选材和计算、密封面的平整度和粗糙度等均有很高的要求。要求止回阀能实现低压差的启闭和密封。
（5） 安全阀
安全阀一般应用于过流介质为水、压缩空气、煤油、TBP等的管路。多为角式结构直接作用的弹簧载荷安全阀，根据工艺要求选用微启式或全启式安全阀。绝大多数为非安全级（NR、NR（S））阀门。公称直径一般为DN10~DN50，公称压力不超过PN20，工作温度为常温~330℃。可按方向竖直或水平安装于管路上，防止系统内压力超过预定的安全值。
（6） 减压阀
乏燃料后处理工程中，减压阀应用于过流介质为压缩空气的管路，降低来流压力，使出口压力保持为工艺要求设定值，多为薄膜式结构。绝大多数为非安全级（NR、NR（S））阀门。公称直径一般为DN6~DN80，公称压力不超过PN20，工作温度为常温~100℃。
（7） 疏水阀
疏水阀应用于工艺系统的蒸汽管道（或设备）、伴热管道，按方向标识安装在水平管路上，用于输送饱和蒸汽和蒸汽冷凝液，排出蒸汽中的冷凝水和空气，保障蒸汽品质。绝大多数为非安全级（NR、NR（S））阀门。公称直径一般为DN10~DN65，公称压力不超过PN20，工作温度为常温~200 ℃。
（8） 节流阀
节流阀应用于无放射性或中低放环境中，应用于压缩空气、水、蒸汽、酸碱溶液、低放废液等管路，为手动形式，按方向标识安装于水平管路上。节流阀结构与截止阀相似，但节流阀的阀瓣不具备密封性，一般选用圆锥形阀瓣结构，通过改变流道截面粗略调节管道内的流量或压力。理想的节流范围为开启高度的30%~70%。
（9） 调节阀
在工程中应用较少，调节阀多按方向标识安装在水平管路上，多设置在流体输送设备的前端，用于精确控制管路中流体的流量。调节阀的结构与截止阀相似，但调节阀的阀瓣不具备密封性，一般选用圆锥形阀瓣结构，工程中采用流量特性为等百分比的调节阀。
（10） 穿地阀
穿地阀的操作端位于屏蔽层上（检修大厅），阀门主体位于阀门室内，按方向标识安装于水平管路上，执行机构通过控制阀杆延长杆实现阀瓣的启闭，阀门与管道对接焊接，要求阀门内不积液。公称直径一般为DN10~DN150，公称压力不超过PN40，工作介质呈中高放射性。穿地阀门为RS-1或RS-2级阀门。穿地阀与工艺管道对接焊接，检修时采用专用的带屏蔽层的检修容器仅对穿地阀的阀内组件进行更换操作。

图1 穿地阀示意图

（11） 远传阀门
远传阀门由阀门和阀门远传机构组成，阀门本体一般为球阀、蝶阀或波纹管截止阀，按方向标识安装于水平或竖直管路上。在后处理工程中用于中高放料液的输送，阀门远传机构操作端位于屏蔽层外。远传机构与阀门为整体结构，阀门的性能测试应为整体试验。

图2 远传阀门示意图

（12） 冷冻阀
冷冻阀用于后处理核心工艺段硝酸铀酰溶液的输送，为免维修设备，与管道对接焊连接；冷冻阀系统主要采用液氮汽化吸收热量，达到制冷效果的方法，实现放射性料液的断流操作。要求阀门内结构平滑不积液。冷冻阀属于RS-1阀门，与工艺管道对接焊接。

图3 冷冻阀示意图

（13） 脉冲阀
脉冲阀与脉冲萃取柱联合使用，通过产生脉冲信号的空气，实现对液体介质的混合作用。脉冲阀主要分三通电磁阀、提升阀和旋转阀三类。其中旋转阀的结构与驱动装置简单，并且旋转阀产生的波形可由旋转阀的结构控制，通常可以产生正弦波或矩形波，是目前脉冲阀的主要结构形式。

图4 脉冲阀示意图