Арматура трубопроводов АЭС

Типы арматуры

 Все трубопроводы тепловых электростанций снабжают арматурой. Назначение ее — включать или отключать поток, регулировать расход, температуру или давление потока и предохранять от нерасчетных режимов. Соответственно назначению различают арматуру: запорную (включение и отключение потока), регулирующую (изменение или поддержание заданного расхода, давления, температуры), предохранительную (предупреждение чрезмерного повышения давления, недопущение изменения направления расхода), контрольную (указатели уровня) и конденсатоотводчики (автоматический отвод конденсата). Перечисленная арматура может устанавливаться как на трубопроводах, так и на отдельных агрегатах. Кроме того, есть арматура приводная (с ручным, электрическим, гидравлическим, пневматическим приводами) и самодействующая, в том числе импульсная, приводимая в действие самой средой. К приводной относятся вентили (рис.1, а), задвижки (рис. 1, б) и краны (рис.1, в), к само-действующей — обратные (рис. 2, а) и предохранительные (рис.2, б) клапаны.

	Схемы приводной арматуры: а — вентиль; б — задвижка; в — кран.
	Схемы самодействующей арматуры: а – обратный клапан; б – предохранительный клапан.

В вентилях запирающий орган садится на седло, передвигаясь в направлении потока; в задвижках он движется перпендикулярно направлению движения жидкости; в кранах вращается вокруг своей оси. В обратных клапанах запирающий орган открывается потоком среды в одном направлении и запирается в противоположном. Предохранительный клапан открывается под воздействием избыточного сверх установленного давления и закрывается при его восстановлении.

Одно из назначений арматуры — способствовать большей гибкости и надежности эксплуатации, давая возможность отключать аварийные участки. Однако при высоких давлениях и особенно при больших диаметрах трубопроводов сама арматура становится источником нарушений эксплуатации, поэтому главное направление в развитии основных трубопроводов на атомных станциях — применение возможно более простых и надежных трубопроводов с минимальным количеством арматуры.

Правила установки и эксплуатации

Необходимо руководствоваться определенными правилами ее установки и эксплуатации: 

1.  движение среды должно совпадать со стрелкой на корпусе арматуры; 
2. использование арматуры не по прямому назначению запрещается, например недопустимо использовать запорную арматуру как регулирующую; 
3. арматура должна ввариваться в соответствующий участок трубопровода до его монтажа; при проектировании трубопроводов установка ее предусматривается в местах, доступных для обслуживания, если не имеется в виду радиоактивная среда; 
4. арматура, работающая при высоких температурах, закрывается съемными разборными теплоизоляционными конструкциями.

Приваривание арматуры к трубопроводам уменьшает возможные протечки среды и повышает надежность работы. Крышка арматуры присоединяется к ее корпусу на фланцах, что позволяет выполнять мелкий ремонт на месте. Для возможности частичного ремонта без вырезки арматуры иногда при невысоких давлениях седла в корпусах арматуры устанавливают на резьбе. Если требуется более серьезный ремонт или замена арматуры, то она вырезается и в последующем вваривается вновь. Вся арматура высокого давления выпускается заводами только как приварная. В качестве запорных органов применяют вентили и задвижки. Тип запорного органа выбирают в основном по диаметру трубопровода. На трубопроводах диаметром 125 мм и более устанавливают, как правило, задвижки, а при диаметре 70 мм и менее — вентили. В интервале диаметров от 70 до 125 мм возможно применение обеих конструкций. Установка задвижек обязательна лишь на трубопроводах, по которым возможно движение среды в обоих направлениях, так как вентили, как правило, допускают подвод среды только с одной стороны. Вентили несколько удобнее для ремонта, но их гидравлическое сопротивление больше. Для вентилей трубопроводов диаметром 100 мм коэффициент гидравлического сопротивления составляет 2,5—5,5, а для задвижек полнопроходного сечения — 0,25. Это позволяет, в частности, применять задвижки с меньшим диаметром, чем диаметр трубопровода, куда их вваривают, что снижает вес арматуры, а также ее стоимость. При этом если проходное сечение стеснено вдвое, то коэффициент гидравлического сопротивления составит 1,5, а при использовании направляющей трубы всего 0,8, т.е. он по прежнему будет существенно меньше, чем для вентиля. Однако вес, размеры и ход шпинделя задвижки больше, чем те же параметры вентиля.

Задвижки

Наиболее употребительны задвижки с клиновым затвором. Такая задвижка может иметь один клин, соединенный со шпинделем (рис. 3). В этой конструкции для создания плотного контакта с двусторонним седлом клапана, установленным в корпусе, при опускании шпинделя с клином требуется подгонка клина к двум поверхностям, что выполнить полностью не удается. Более совершенна конструкция, приведенная на рисунке 4, в которой сидящий на шпинделе клин состоит из двух уплотняющих дисков (тарелок).

Рисунок 3. Задвижка с клиновым затвором с цельным клином.

Задвижка с клиновым затвором из двух дисков (тарелок).  1 — шпиндель; 2 — корпус; 3—распорный гриб; 4 — седло; 2 — корпус, 5 — уплотняющий диск (тарелка).

При опускании шпинделя к уплотняющим кольцам (седлу) задвижки подходят обе тарелки, а окончательная плотность соединения достигается при последующем опускании шпинделя, так как тарелки прижимаются распорными грибками. Такие задвижки применяют как на паре, так и на воде.

Вентили 

На трубопроводах АЭС применяют большое количество вентилей различного назначения. На рисунке 5 показан запорный вентиль высокого давления. При его закрытии сидящий на шпинделе клапан 3 опускается на седло 5.

Запорный проходной вентиль высокого давления:  1 — шпиндель; 2 — полукольцо; 3 — основной клапан (тарелка); 4 — корпус; 5 — седло; 6— разгрузочная тарелка; 7—коническая часть шпинделя; 8 — втулка.

Для открытия вентилей и задвижек высокого давления необходимо преодолевать большие усилия, так как при начальном положении существует большой перепад давлений по обе стороны клапана. Ранее для облегчения открытия применяли обводные трубки малого диаметра с вентилем на них, открыв который выравнивали давление по обе стороны клапана, а затем уже поднимали его. Однако при этом создавались дополнительные участки высокого давления и увеличивалось количество арматуры. В современных конструкциях применяют метод внутренней разгрузки (рис. 5). Вначале поднимается разгрузочный клапан 6 малого диаметра, открывая доступ среде по обеим сторонам основного клапана 3, Подъем клапана 6 идет до упора его в полукольцо 2, в связи с чем начинается уже подъем основного клапана. Для уменьшения возможных утечек воды через сальник на шпинделе 1 имеется коническая поверхность, упирающаяся во втулку крышки при полном открытии вентиля.

При открытом положении вентилей протекающая среда воздействует на клапан (в отличие от задвижек, создающих вместе с седлом плотное соединение). Поэтому в связи с возможным эрозионным воздействием потока на клапан плотность вентилей обычно нарушается быстрее, чем плотность задвижек. В вентилях возможна подача среды или только под клапан, или только на клапан. На трубопроводах вентили следует располагать в соответствии с указателем направления движения среды (стрелки), чтобы не создавать на шпинделе нерасчетных усилий. Запорная арматура (запорные задвижки и клапаны) должна быть или полностью открыта, или полностью закрыта. Использование ее как регулировочной арматуры приводит к повышенному эрозионному износу деталей и нарушению основного соединения, а в результате — к протечкам. Для регулирования расхода или давления существует специальная арматура.

Регулировочные вентили

Регулировочные вентили отличаются от запорных профилем клапана и седла (рис. 6). Односедельный клапан 3 в виде иглы имеет переменное сечение. Он или укреплен на шпинделе 1, или выполнен с ним как одно целое. Седло 2 укреплено на резьбе в корпусе 4 вентиля и имеет расширяющееся сечение. Такой вентиль не может работать без протечек, но этого и не требуется, так как он не запорный. Профилированный клапан-игла позволяет изменять расход среды пропорционально его перемещению.

	Рабочая часть регулировочного вентиля для воды:  1 - шпиндель; 2 - седло; 3 - клапан; 4 - корпус.
	Рабочая часть регулировочного вентиля для пара

Регулировочные клапаны могут быть и двух седельными (рис. 7). Эта конструкция позволяет разгрузить шток от больших осевых усилий, возникающих в результате разности давлений на входе и выходе. Недостаток клапана — его большая неплотность из-за трудностей обеспечения плотного прилегания двух посадочных поверхностей одновременно, поэтому регулирование расхода при малом подъеме штока становится неудовлетворительным. Для радиоактивной среды широко используют вентили с сильфонным уплотнением.

Паровой редукционный (дроссельный) клапан шиберной конструкции.

На рис. 8 показан регулирующий клапан шиберной конструкции. Такие клапаны применяют как на паре, так и на воде для регулирования питания парогенераторов. Благодаря разности давления по обе стороны шибера он прилегает к седлу и этим достигается его высокая плотность, что особенно важно в БРОУ, так как протечки пара через нее вызывают значительные потери. Для удобства размещения на трубопроводах запорную и регулировочную арматуру выпускают в различных конструктивных вариантах, например существуют специальные угловые вентили и др.

Обратные и предохранительные клапаны

На всех питательных магистралях перед питаемым агрегатом (парогенератор, реактор, испаритель и т. д ) обязательна установка обратного клапана. Принцип его работы ясен из рис. 9.

Обратный клапан для трубопроводов питательной воды.

Чтобы не допустить существенного превышения давления в системе, обязательно устанавливают не менее двух предохранительных клапанов. На трубопроводах больших диаметров применяют импульсные предохранительные клапаны, в которых при превышении давления открывается сначала вспомогательный клапан, а вслед за ним — основной. Предохранительные клапаны на парогенераторах двухконтурных атомных станций, казалось бы, могут не устанавливаться, так как давление в них не может подняться выше того, которое отвечает температуре кипения, равной максимальной температуре теплоносителя. Однако расчет парогенератора на это давление не снимает требования установки предохранительных клапанов на случай (хотя и маловероятный) аварии, когда в результате прямого разрыва трубки парогенератора давление в нем может возрасти до рабочего давления реактора. Предохранительные клапаны используют и в первых контурах двухконтурных атомных станций (обычно на компенсаторах объема) со сбросом образующегося при их открытии пара в барботер под уровень воды. Кроме основных предохранительных клапанов первого контура устанавливают дополнительные предохранительные клапаны меньшего проходного сечения на каждой из петель многопетлевого водо-водяного реактора в их отключаемых частях. Для одноконтурной АЭС предохранительные клапаны могут быть или на барабанах, или на паропроводах. Обязателен сброс из них в барботажные устройства. По конструкциям кроме импульсных различают рычажные и пружинные (рис.10) предохранительные клапаны.

Пружинный предохранительный клапан рассчитанный на давление 12,5 МПа:  1 — корпус; 2 — втулка (седло); 3 — упорный закрепляющий штифт; 4 — направляющее (регулирующее) кольцо; 5 — тарелка клапана; 6 — направляющая втулка; 7 — шток; 8 — пружина; 9 — устройство для подрыва клапана от руки; 10 — гайка для регулировки клапана.

Другая арматура

Для вывода дренажей, спуска воды из контуров и непрерывной и периодической продувок также существуют свои конструкции арматуры. Общее правило для них — последовательная установка двух вентилей: запорного и вслед за ним соответствующего регулировочного, причем запорный должен открываться полностью. Для автоматического удаления конденсата пара, периодически скапливающегося в паропроводах, применяют конденсато-отводчики, через которые отводится только конденсат. Особенно внимательно следует подходить к проектированию трубопроводов и соответствующему выбору количества и мест размещения арматуры в одноконтурных атомных станциях. Необходимо иметь в виду, что абсолютная плотность в длительной эксплуатации недостижима, причем наиболее трудноуплотняемой средой по началу пропуска является вода, а затем насыщенный и перегретый пар. В особо ответственных местах с большой радиоактивностью среды применяют иногда сложную систему уплотнений. Так, например, на атомной установке Арагонской национальной лаборатории (США) с одноконтурным реактором шпиндели арматуры имеют уплотнение из трех частей. После первой части протечка отводится в дренажное устройство с давлением 0,114 МПа; после второй—в систему с разрежением 150 мм вод. ст..; в третьей части давление превышает атмосферное на 150 мм вод. ст. Необходимость тщательного уплотнения часто вызывается не только тем, что первичный теплоноситель сильно радиоак-тивен и агрессивен, но иногда также и его дороговизной (например, D2O). Промежуточное положение между арматурой и контрольно-измерительными приборами занимают указатели уровня, как устанавливаемые непосредственно на оборудовании, так и вынесенные за его пределы. Контроль уровня практически во всех аппаратах производится для условий барботажа пара через водяной объем. При этом действительный уровень воды в аппарате будет тем больше превышать уровень воды по водоуказательному прибору, чем ниже по высоте аппарата сделан отвод к измерителю в области водяного объема. Необходимо делать этот отвод возможно выше, но не превышая минимального уровня воды в аппарате. Вся арматура, как снимаемая для ремонта, так и ремонтируемая на месте, после ремонта должна проходить гидравлическое испытание на давление, превышающее рабочее на 25%. При исполнении схем трубопроводов используют условные обозначения для арматуры (риc. 11).

Условные обозначения арматуры на схемах трубопроводов:

1 — арматура без электропривода; 8 — выброс в атмосферу; 2 — арматура с электроприводом; 9 — трехходовой клапан с выбросом в атмосферу; 3 — обратный клапан; 4 — регулировочный клапан; 10 — предохранительный клапан с импульсным устройством и выхлопом в атмосферу; 5 — дроссельная шайба; 6 — редукционная установка; 11- расходомер.