Трубопроводная арматура для АЭС: виды, устройство, испытания

• 4основных типа арматуры: задвижка, клапан, кран, дисковый затвор
• тысячиединиц арматуры на одном энергоблоке АЭС
• Асамый строгий класс герметичности затвора по ГОСТ 9544 — без видимых протечек
• НП-068-05общие технические требования к арматуре атомных станций

Что такое трубопроводная арматура

Трубопроводная арматура — устройства, которые ставят на трубопроводы и оборудование, чтобы управлять потоком среды: перекрывать его, менять расход и давление, не пускать среду в обратную сторону, сбрасывать её при опасном росте давления. Делают они это, меняя площадь проходного сечения подвижной деталью — затвором.

По тому, как движется затвор, различают четыре основных типа арматуры:

• задвижказатвор, клин или диски, перемещается поперёк потока;
• клапанзатвор-тарелка опускается на седло, двигаясь вдоль его оси; старое название запорного клапана — вентиль;
• кранзатвор в виде пробки или шара с отверстием поворачивается вокруг своей оси;
• дисковый затвордиск поворачивается прямо в потоке на оси, поперечной трубе.

На одном энергоблоке АЭС тысячи единиц арматуры — от клапанов размером с ладонь на импульсных линиях приборов до задвижек и затворов диаметром больше метра на трубопроводах охлаждающей воды. Размер арматуры задаёт номинальный диаметр DN, в старых документах — условный проход Ду. Ответственную арматуру на АЭС обычно вваривают в трубопровод: каждый фланцевый разъём — ещё одно место возможной протечки.

Виды арматуры по назначению

Для работы станции важнее не конструкция, а задача, которую арматура решает в системе. По назначению её делят на несколько групп.

Запорная арматура полностью открывает или перекрывает поток. Это самая многочисленная группа — задвижки, запорные клапаны, краны и затворы, которыми отключают оборудование на ремонт, переключают системы и отсекают ненужные линии.

Регулирующая арматура плавно меняет расход или давление по сигналу автоматики. Пример — регулирующие клапаны, которые поддерживают уровень воды в парогенераторах, меняя подачу питательной воды.

Обратная арматура — обратные клапаны и затворы — пропускает среду только в одну сторону и сама закрывается, если поток пытается пойти назад. Такие клапаны стоят, например, на напоре насосов, а в системе аварийного охлаждения отделяют от первого контура гидроёмкости с раствором бора, пока давление в контуре высокое.

Предохранительная арматура защищает сосуды и трубопроводы от превышения давления: сама открывается, сбрасывает часть среды и закрывается, когда давление снизится. Первый контур ВВЭР защищают импульсно-предохранительные устройства компенсатора давления — ИПУ КД. В них небольшой импульсный клапан срабатывает от давления и открывает главный клапан большого сечения, а сброшенный пар уходит в барботёр — бак с водой, где он конденсируется.

Как срабатывает ИПУ компенсатора давления

1. Давление растётв первом контуре — выше допустимого
2. Импульсный клапаннебольшой клапан срабатывает от давления
3. Главный клапанимпульсный открывает главный клапан большого сечения
4. Барботёрсброшенный пар уходит в бак с водой и конденсируется
5. Закрытиекогда давление снизится, арматура закрывается

Парогенераторы защищены своими ИПУ, которые сбрасывают пар в атмосферу. Но раньше них в работу вступает БРУ-А — быстродействующая редукционная установка со сбросом пара в атмосферу. Если турбина отключилась, а конденсатор не может принять пар, БРУ-А сбрасывает его и удерживает давление ниже уставок предохранительных клапанов; через неё же можно расхолаживать блок.

Защитная и отсечная арматура автоматически отключает участок, когда параметры выходят за допустимые пределы. На паропроводе каждого парогенератора ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 стоит БЗОК — быстродействующий запорно-отсечной клапан. При разрыве паропровода эти клапаны за секунды отсекают парогенераторы от места разрыва, чтобы пар не уходил из всех парогенераторов сразу, а первый контур не переохлаждался.

Локализующая арматура стоит на трубопроводах, которые проходят через гермооболочку. При аварии она закрывается по сигналу и замыкает оболочку как барьер на пути радиоактивных веществ. На каждой такой линии обычно два запорных органа, внутри оболочки и снаружи, — чтобы отказ одного не оставил путь наружу.

Как устроены задвижка и клапан

Удобнее всего разобрать устройство на примере клиновой задвижки. Её основа — корпус с проходом для среды и патрубками для присоединения к трубопроводу. Сверху корпус закрыт крышкой, которая крепится к нему шпильками через прокладку. Поперёк прохода ходит затвор — клин. В закрытом положении он прижимается к двум сёдлам, кольцевым уплотнительным поверхностям в корпусе. Клин бывает жёстким, упругим — способным немного пружинить — или двухдисковым; два последних лучше прилегают к сёдлам, когда корпус деформируется от нагрева и нагрузок трубопровода.

Клин перемещает шпиндель — стержень, который выходит из корпуса через крышку к приводу. Место, где подвижный шпиндель проходит сквозь неподвижную крышку, — главный путь возможной утечки наружу. Уплотняют его двумя способами.

• Сальникшпиндель проходит через камеру, заполненную кольцами уплотнительной набивки, которые поджимает нажимная втулка. Это просто и надёжно, но набивка со временем изнашивается и садится, и сальник приходится подтягивать, а кольца — менять.
• Сильфонтонкостенная гофрированная трубка, одним концом приваренная к шпинделю, другим — к крышке. При ходе шпинделя сильфон сжимается и растягивается, как гармошка, а среда остаётся внутри. Так добиваются полной герметичности относительно внешней среды, поэтому сильфонная арматура — обычный выбор для радиоактивных и других опасных сред. Над сильфоном на случай его повреждения ставят страхующий сальник.

Скручивать сильфон нельзя, поэтому шпиндель в сильфонной арматуре не вращается, а только поднимается и опускается — строго говоря, это уже шток. У крупной арматуры, где сильфон получился бы слишком большим, применяют сальники с промежуточным отводом протечек: то, что просочилось через нижние кольца набивки, уходит не наружу, а в систему сбора протечек.

Запорный клапан устроен иначе: его затвор — тарелка — опускается на седло вдоль его оси. Ход затвора у клапана короткий, а уплотнительные поверхности почти не трутся друг о друга, зато сопротивление потоку выше: внутри корпуса среда меняет направление. Поэтому на больших проходах чаще стоят задвижки, на малых и средних — клапаны, в том числе сильфонные.

Приводы

Затвор перемещает привод. Самый простой — ручной: маховик, нередко через редуктор. Электропривод — электродвигатель с редуктором, муфтой, ограничивающей крутящий момент, и выключателями, которые останавливают двигатель в крайних положениях; маховик остаётся на нём как ручной дублёр.

Пневмопривод двигает затвор сжатым воздухом через мембрану или поршень; если в нём есть возвратная пружина, то при потере воздуха она переводит арматуру в заранее выбранное безопасное положение. Есть и гидроприводы, которые работают от давления масла или самой рабочей среды, и электромагнитные — для небольших быстродействующих клапанов.

Клиновая задвижка в закрытом положении (схема). Клин прижат к двум сёдлам, их уплотнительные поверхности покрыты твёрдой износостойкой наплавкой. Шпиндель выходит из корпуса через сильфон и сальник: сильфон отделяет среду от внешней атмосферы, сальник служит вторым барьером.

Требования к арматуре АЭС

Общие требования к арматуре атомных станций собраны в федеральных нормах и правилах НП-068-05 «Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования». Конкретные значения — давление, температуру, класс герметичности, время срабатывания, ресурс — задают проект, конструкторская документация и технические условия на изделие. Главное, что от арматуры требуют:

• соответствие классу безопасностиот класса зависят материалы, объём контроля и форма оценки соответствия; о классах — в статье «Оборудование для АЭС: нормы и приёмка»;
• сейсмостойкостьарматура и особенно тяжёлый электропривод, вынесенный над трубой, должны выдержать расчётное землетрясение и после него работать; это подтверждают расчётом или испытаниями;
• прочность и плотность корпуса, крышки и сварных швов — под пробным давлением не должно быть ни течей, ни «потения», то есть просачивания среды через поры металла;
• герметичность затворадопустимую протечку через закрытый затвор задают по ГОСТ 9544 «Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов»; самый строгий класс, А, означает отсутствие видимых протечек за время испытания;
• герметичность относительно внешней средыпо шпинделю, прокладкам и корпусу: среда не должна выходить наружу;
• ресурссрок службы и число циклов «открыто — закрыто», которые арматура выдержит без потери свойств;
• быстродействиедля отсечной, локализующей и предохранительной арматуры важно, за какое время она сработает;
• работоспособность при аварииарматура и приводы внутри гермооболочки должны действовать при высокой температуре, влажности и облучении, которые возможны при аварии.

Материалы и наплавки

Корпуса и крышки делают из углеродистой, низколегированной теплоустойчивой или аустенитной нержавеющей стали — в зависимости от среды, давления и температуры. Для первого контура, систем с борированной водой и радиоактивными средами берут нержавеющую сталь: борная кислота разъедает углеродистую. Заготовка корпуса — отливка или поковка. Литьё сразу даёт сложную форму, но в отливке возможны поры, раковины и рыхлоты; кованый или штампованный корпус плотнее, зато требует больше обработки.

Самое нагруженное место — уплотнительные поверхности затвора и сёдел. Они должны годами держать плотность, не задираться при трении под нагрузкой и не размываться потоком. Поэтому на них наплавляют твёрдые износостойкие сплавы, например на железной основе электродами ЦН-6Л или ЦН-12М. Кобальтовые сплавы — стеллиты — очень износостойки, но в арматуре первого контура их стараются не применять; почему кобальт там нежелателен, рассказано в статье «Материалы атомной отрасли».

Из чего делают арматуру

Шпиндели делают из прочных коррозионностойких сталей, сильфоны — из тонкой аустенитной стали, часто в несколько слоёв, а набивку сальников — обычно из графита. Наружные поверхности арматуры для радиоактивных сред должны выдерживать дезактивацию — отмывку специальными растворами.

Изготовление и испытания

Путь арматуры по заводу начинается с корпуса. Отливки проверяют особенно тщательно — просвечиванием, ультразвуком, капиллярным методом, — а недопустимые дефекты выбирают и заваривают по аттестованной технологии. Затем корпус и детали затвора обрабатывают: растачивают проход и посадочные места, нарезают резьбы, готовят кромки патрубков под приварку к трубопроводу. Об особенностях такой обработки — прослеживаемости, чистоте, работе с нержавеющей сталью — рассказано в статье «Механообработка для атомной отрасли».

Путь арматуры по заводу — до испытаний

1. Контроль отливкипросвечивание, ультразвук, капиллярный метод; дефекты выбирают и заваривают
2. Обработкапроход, посадочные места, резьбы, кромки патрубков под приварку
3. Наплавкаизносостойкий слой на сёдла и затвор, затем обработка и шлифовка
4. Притиркадо сплошного пояска; прилегание проверяют «на краску»
5. Сборкав чистом помещении: песчинка на уплотнении означает протечку

На сёдла и затвор наплавляют износостойкий слой, затем его обрабатывают, шлифуют и притирают — доводят пару «затвор — седло» абразивными пастами на притирах, пока поверхности не станут прилегать друг к другу сплошным пояском. Прилегание проверяют «на краску»: тонкий слой краски на одной поверхности должен оставить на другой непрерывный отпечаток. Собирают арматуру в чистом помещении, следя, чтобы внутрь не попали стружка, абразив и грязь, — песчинка на уплотнении означает протечку.

Готовую арматуру испытывают:

1. на прочность и плотность корпусных деталей и сварных швов — водой под пробным давлением при открытом затворе;
2. на герметичность затвора — давление подают с одной стороны закрытого затвора и измеряют протечку с другой, а у арматуры, работающей в обе стороны, — поочерёдно с каждой;
3. на герметичность относительно внешней среды — сальника, сильфона, прокладочных соединений; сильфонные узлы нередко проверяют гелиевым течеискателем;
4. на работоспособность — полный ход затвора, усилие или крутящий момент, время открытия и закрытия, срабатывание выключателей привода;
5. предохранительную арматуру — ещё и на давление срабатывания: её настраивают на стенде, проверяя, при каком давлении она открывается и закрывается.

Испытания идут по плану качества, в контрольных точках — с участием уполномоченной организации, а итог — паспорт и комплект документов, без которых арматуру на станцию не отправят.

Арматура в эксплуатации

На действующем блоке арматура работает годами, и её состояние проверяют на каждом планово-предупредительном ремонте (ППР). Арматуру с радиоактивной средой вскрывают после дренирования и при необходимости дезактивации, под дозиметрическим контролем. Её разбирают, обычно не вырезая из трубопровода, осматривают затвор, сёдла и шпиндель, ищут риски, задиры и следы эрозии на уплотнительных поверхностях.

Небольшой износ устраняют притиркой — на месте, переносными притирочными приспособлениями. Сильно повреждённые детали восстанавливают наплавкой с последующей обработкой или меняют. Самая частая работа — сальники: набивку подтягивают, а при ревизии меняют целиком, вынимая старые кольца и укладывая новые с заданным поджатием. Меняют и прокладки разъёма корпуса с крышкой.

Предохранительные клапаны периодически проверяют на давление срабатывания, а отсечную и локализующую арматуру — на время закрытия. Электроприводам уделяют особое внимание: по записям тока и мощности двигателя, крутящего момента и времени хода можно заметить тугой ход шпинделя, износ резьбовой пары или разрегулировку муфты задолго до отказа. Такая диагностика позволяет ремонтировать арматуру по состоянию, а не только по графику; как устроены ремонты на АЭС — в статье «Ремонт АЭС: ППР и запасные части».

Термины

• Трубопроводная арматураУстройства на трубопроводах и оборудовании, которые управляют потоком среды, меняя площадь проходного сечения.
• ЗатворПодвижная часть арматуры — клин, диск, тарелка, пробка или шар, — которая перекрывает или открывает проход.
• ЗадвижкаАрматура, затвор которой перемещается поперёк потока среды.
• СильфонТонкостенная гофрированная трубка, которая отделяет среду внутри арматуры от внешней и сжимается и растягивается при ходе шпинделя.
• СальникУплотнение шпинделя кольцами набивки, которые поджимает нажимная втулка.
• ИПУИмпульсно-предохранительное устройство: главный предохранительный клапан, которым управляет небольшой импульсный клапан.
• Локализующая арматураАрматура на трубопроводах, проходящих через гермооболочку, которая при аварии закрывается и замыкает оболочку.
• ПритиркаДоводка уплотнительных поверхностей затвора и седла абразивными пастами до плотного сплошного прилегания.

Частые вопросы

Какая арматура применяется на АЭС?

Запорная, регулирующая, обратная, предохранительная, защитная и отсечная, а также локализующая — на трубопроводах, проходящих через гермооболочку. По конструкции это задвижки, клапаны, краны и дисковые затворы.

Чем задвижка отличается от клапана?

У задвижки затвор движется поперёк потока, у клапана тарелка опускается на седло вдоль его оси. Задвижка меньше сопротивляется потоку и чаще стоит на больших проходах, а у клапана короче ход затвора и уплотнительные поверхности почти не трутся друг о друга.

Зачем арматуре АЭС сильфон?

Сильфон — гофрированная трубка, приваренная к шпинделю и крышке, — полностью отделяет среду внутри арматуры от окружающего воздуха. Поэтому сильфонную арматуру ставят на трубопроводы с радиоактивными и другими опасными средами, а над сильфоном для страховки оставляют сальник.

Что такое ИПУ и БРУ-А?

ИПУ — импульсно-предохранительное устройство: небольшой импульсный клапан при превышении давления открывает главный предохранительный клапан. БРУ-А — быстродействующая редукционная установка, которая сбрасывает пар из парогенераторов в атмосферу, не давая давлению дойти до уставок предохранительных клапанов.

Как испытывают трубопроводную арматуру?

Корпус проверяют на прочность и плотность пробным давлением, затвор — на герметичность, уплотнения — на герметичность относительно внешней среды, привод — на ход и время срабатывания. Предохранительную арматуру дополнительно настраивают на давление срабатывания.