核電站氣動隔膜閥設(shè)計(jì)分析

核電站氣動隔膜閥設(shè)計(jì)分析通過對核電站核二級氣動隔膜閥性能參數(shù)、構(gòu)造、主要零件材料的介紹以及對設(shè)計(jì)計(jì)算、生產(chǎn)制造和鑒定試驗(yàn)過程中技術(shù)難點(diǎn)的描述，闡述了核電站核二級氣動隔膜閥技術(shù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。一、前言

核級氣動隔膜閥是壓水堆核電站中重要的裝置之一，屬于安全二級設(shè)備。目前核級氣動隔膜閥完全依賴進(jìn)口，是尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的一類閥門。

基于我國核電發(fā)展規(guī)劃，新建核電機(jī)組正處于迅速發(fā)展階段，因此，為了實(shí)施核級氣動隔膜閥國產(chǎn)化工作，中廣核工程公司與國內(nèi)廠家合作，完成了核二級氣動隔膜閥樣機(jī)的試制，并通過型式試驗(yàn)驗(yàn)證了該樣機(jī)滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的各項(xiàng)要求。二、技術(shù)要求1、主要性能參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求：核二級氣動隔膜閥，公稱直徑為80mm，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為120℃，其主要的性能參數(shù)表見下表。

主要性能參數(shù)

注：1USgal=3.785dm3。2、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

設(shè)計(jì)遵照的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有：《核級隔膜閥研制任務(wù)書》，RCC—M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》(2000版+20**補(bǔ)遺)，ASMEQME—1《核電廠用能動機(jī)械設(shè)備鑒定》(20**)，ANSIB16.41《核電站動力操作能動閥門裝置功能鑒定》和EJ/T1022.12《壓水堆核電廠閥門氣動裝置》。三、設(shè)計(jì)計(jì)算1、主體材料確實(shí)定

核電樣機(jī)閥門的材料選擇應(yīng)滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，主要包括：其與介質(zhì)接觸的零部件應(yīng)選用耐蝕性與閥體材料相當(dāng)?shù)牟讳P鋼材料；所有橡膠隔膜材料、柔性石墨材料氯離子含量應(yīng)低于50ppm(1ppm=10-6，下同)，硫離子含量應(yīng)低于200ppm，承受輻照劑量為1×105Gy/40a，其力學(xué)性能偏差不超過15%；與介質(zhì)接觸的表面不能使用潤滑劑或防藥劑，應(yīng)防止氮化和鍍層；應(yīng)盡量不使用鋁、鋅及其合金；禁止添加使用砷、銻和汞等元素及其化合物；奧氏體不銹鋼零件禁止與碳鋼零部件直接接觸；不能使用二硫化鉬作為潤滑劑；除手輪外，其他不承壓的所有閥門零件不得使用鑄鐵。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體、外伸支架可采用球墨鑄鐵，球墨鑄鐵的要求應(yīng)符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

根據(jù)以上的要求，最終確認(rèn)該氣動隔膜閥各主要零件的材料分別為：閥體用M3402Z3CN20-09M，閥蓋用M3402Z3CN20-09M，閥瓣用M3402Z3CN20-09M，隔膜用EPDM。2、溫壓等級確實(shí)定

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的設(shè)計(jì)參數(shù)及主體材料，根據(jù)RCC—M表C3531.2.1，確定該氣動隔膜閥為150LB。3、技術(shù)難點(diǎn)及攻關(guān)

核級氣動隔膜閥的開啟是在氣源壓力的作用下，推動薄膜及隔膜板，壓縮彈簧帶動閥桿上升來到達(dá)；閥門關(guān)閉是在失電或失氣時，依靠彈簧的張力推動隔膜板帶動閥桿向下運(yùn)動來到達(dá)的。

其構(gòu)造特點(diǎn)如下：

(1)閥門構(gòu)造(見圖1)閥門主體采用了直通式構(gòu)造，閥體內(nèi)腔流道近似于管狀，切斷性能和流通能力均佳，更便于清洗。

圖1閥門構(gòu)造

1、4.O形圈2.檢漏螺釘3.下襯套5.閥桿6.閥蓋7.閥瓣8.隔膜9.閥體

閥體密封面采用球面密封(即橡膠隔膜與閥體球面密封面相配合)，具有極佳的密封性能和較小的操作力矩。

閥蓋與閥桿用O形圈備用密封，以確保隔膜損壞時壓力邊界的完整性。

閥蓋大平面上設(shè)計(jì)有內(nèi)臺階，使閥蓋、閥體連接時能完全包容隔膜，以減少橡膠隔膜的蠕變效應(yīng)。

隔膜閥沒有填料密封構(gòu)造，不存在外滲漏弊病，因此除閥體流道和隔膜外，其他零件與介質(zhì)均處于完全隔離狀態(tài)，不受介質(zhì)侵蝕。隔膜既是關(guān)閉件，又是閥體和閥蓋連接處的密封墊片，確保無外滲漏。閥蓋上設(shè)有檢漏裝置能及時發(fā)現(xiàn)隔膜的損壞情況，并能立即關(guān)閉，確保壓力邊界的完整性。

氣動隔膜閥閥瓣與閥桿采用螺紋連接，拆裝方便。

(2)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)(見圖2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用常閉型薄膜式氣缸。在事故狀態(tài)即失電、失氣的情況下，依靠彈簧力的作用關(guān)閉閥門，通電通氣后，壓縮彈簧將閥門打開。

圖2氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.氣動頭下殼體2.隔膜板3.驅(qū)動機(jī)構(gòu)隔膜4.上隔膜板5.氣動頭上殼體6.碟形彈簧

彈簧采用碟形彈簧，具有體積小、剛度大，能以小變形承受大的載荷的特點(diǎn)，可縮小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量。

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥蓋的連接采用了支架連接形式，能確保在不拆卸閥門的情況下完整地拆卸執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)附有手操機(jī)構(gòu)，在失去氣源的情況下，可通過手輪來打開閥門。

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)附有限位開關(guān)盒位置指示(見圖3)，限位開關(guān)開位一個關(guān)位一個，并在支架中設(shè)有指示桿，能現(xiàn)場目視閥門的啟閉位置。

圖3限位開關(guān)盒位置指示

1.位置指示桿2.限位塊3.起動位置指示游標(biāo)4.行程開關(guān)

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)有手動鎖定裝置(見圖4)，能使閥門鎖定在開或關(guān)的位置，確保閥門安全運(yùn)行。

圖4手動鎖定裝置

1.手動鎖定桿2.游標(biāo)3.手輪

(3)材料選擇隔膜和O形密封圈采用三元乙丙橡膠(EPDM)，這種材料具有較高的耐溫性能和抗輻照能力。

隔膜在高溫(120℃)動態(tài)彎曲作用下的壽命不僅與隔膜的構(gòu)造設(shè)計(jì)有關(guān)，更與橡膠材料的力學(xué)性能高低有密切關(guān)聯(lián)。橡膠力學(xué)性能的高低與材料的配方、防老劑的組合和硫化工藝等相關(guān)。

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸、氣缸蓋采用了具有較高強(qiáng)度的鍋爐鋼SCPH壓制而成；碟形彈簧選用較高的疲勞強(qiáng)度和彈性模量的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼材料；操作薄膜采用天然橡膠+錦綸網(wǎng)布模壓而成，具有高的耐曲撓性能和拉伸強(qiáng)度。四、制造工藝

承壓件閥體、閥蓋采用中溫中壓蠟，硅溶膠精細(xì)鑄造，鑄件具有很高的表面質(zhì)量、準(zhǔn)確的形狀和尺寸，與橡膠隔膜接觸的面(密封面)不需要開展機(jī)加工，防止加工后產(chǎn)生的棱邊銳角而損壞隔膜。

閥蓋的閥桿孔、閥桿螺母孔與法蘭螺孔在加工中確保同軸度。

按照裝配工藝開展閥門裝配，安排有經(jīng)驗(yàn)的師傅負(fù)責(zé)裝配確保裝配質(zhì)量。

橡膠隔膜是隔膜閥的核心部件、關(guān)鍵件。因此橡膠隔膜的制造成為關(guān)鍵工藝，廠家與某橡膠研究所經(jīng)過近百次的反復(fù)使用，確定了滿足核級隔膜閥要求的橡膠配方、硫化工藝和性能指標(biāo)，并建立了橡膠車間，橡膠隔膜的制造在廠家內(nèi)完成。五、檢驗(yàn)和試驗(yàn)

核電閥門是核電裝置中安全附件之一，其作為流體介質(zhì)管路傳輸中的重要控制設(shè)備，功能性是否滿足要求直接關(guān)系到整個核設(shè)施的安全，而閥門的模擬工況試驗(yàn)是檢驗(yàn)樣機(jī)閥門性能更最直接、最有效的手段。樣機(jī)閥門的試驗(yàn)主要包括常規(guī)試驗(yàn)和型式試驗(yàn)兩大類。1、常規(guī)試驗(yàn)

核二級氣動隔膜閥的常規(guī)試驗(yàn)主要包括：閥體強(qiáng)度試驗(yàn)、閥瓣強(qiáng)度試驗(yàn)、閥座密封試驗(yàn)和功能試驗(yàn)四部分。

閥體強(qiáng)度試驗(yàn)按照RCC—M表C5400的要求開展，試驗(yàn)壓力為主體材料室溫下最大許用壓力的1.5倍，試驗(yàn)保壓時間為10min，試驗(yàn)過程中無外泄漏、滲漏和冒汗現(xiàn)象，閥體無殘余變形。

閥瓣強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為該閥門主體材料室溫下最大允許用壓力的1.1倍，保壓時間為5min，在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)閥座有滲漏現(xiàn)象。

閥座密封試驗(yàn)的密封試驗(yàn)壓力為RCC—M表C3531中規(guī)定的室溫下的最大許用壓力，試驗(yàn)保壓時間為10min，試驗(yàn)期間閥座處零泄漏。

模擬運(yùn)行工況下的功能試驗(yàn)，閥門的關(guān)閉在零壓差下開展，開啟在最大壓差下開展。本試驗(yàn)可結(jié)合承受最大壓差的主閥座密封試驗(yàn)一同開展。2、型式試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)過程中的輔助檢測

試驗(yàn)過程中的輔助檢查主要包括試驗(yàn)前的檢驗(yàn)、中間檢查以及試驗(yàn)后的檢查。

試驗(yàn)前的檢查是要確定試驗(yàn)閥門裝置的合適性(檢查主要包括外觀質(zhì)量檢查及尺寸檢查等)，并將試驗(yàn)前檢查的數(shù)據(jù)作為閥門組件功能性能基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在完成試驗(yàn)程序以后，將試驗(yàn)后檢查數(shù)據(jù)與這些基準(zhǔn)數(shù)據(jù)開展比照。

中間檢查是在每一項(xiàng)閥門的型式試驗(yàn)完成之后都要開展的檢查，以確保在該項(xiàng)鑒定試驗(yàn)過程中閥門沒有破損以及不可恢復(fù)的永久變形等發(fā)生。

試驗(yàn)后檢查的目的在于獲得與試驗(yàn)前檢查相比較的數(shù)據(jù)，以便確定型式試驗(yàn)對閥門功能的影響。具體是在所有的開發(fā)性試驗(yàn)完成之后，開展閥座密封試驗(yàn)，確認(rèn)該閥門在鑒定試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生破損及永久變形等；拆卸測試閥門組件，對其開展全面的檢查測試，記錄樣機(jī)閥門組件發(fā)生的任何明顯損壞或者改變等。

(2)地震試驗(yàn)

地震試驗(yàn)包括OBE試驗(yàn)、SSE試驗(yàn)，閥門的流道方向與振動臺長軸方向平行的定義為X向，與長軸方向垂直的定義為Z向，垂直于振動臺面方向定義為Y向。試驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5地震試驗(yàn)原理

1.空氣過濾減壓閥2.電磁閥3.模擬控制室4.電動激振器及伺服控制器5.振動臺6.氣管7.固定支架8.被試閥門9、11.壓力表10.隔離閥12.水泵13.軟管14.多通道采集系統(tǒng)15.計(jì)算機(jī)16.儲容器17.地震軟件包

OBE試驗(yàn)時，閥門內(nèi)腔充滿清潔水，加壓至試驗(yàn)壓力。在OBE試驗(yàn)時，沿X、Y、Z三個方向分別開展正弦掃頻試驗(yàn)各兩次，第一次正弦掃頻是閥門處于開啟狀態(tài)，第二次正弦掃頻是閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，每次掃頻間隔時間為5min。

SSE試驗(yàn)時，閥門內(nèi)腔充滿清潔水，加壓至試驗(yàn)壓力。試驗(yàn)前，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，在試驗(yàn)過程中，在每一試驗(yàn)頻率試驗(yàn)時，閥門應(yīng)完成開啟—關(guān)閉—開啟全過程動作試驗(yàn)。

(3)端部加載試驗(yàn)

管道反作用力端部加載測試是為了驗(yàn)證，當(dāng)閥門受到所有管端載荷及壓力和自重在內(nèi)的正常工作載荷作用時試驗(yàn)閥門的可操作性。

端部加載試驗(yàn)可以與地震試驗(yàn)聯(lián)合開展，也可單獨(dú)開展，取決于哪種選擇表現(xiàn)出最不利的運(yùn)行環(huán)境。

試驗(yàn)方法按照ASMEQME—1—2000QVP7370的規(guī)定，試驗(yàn)閥門應(yīng)按照QVP7331的規(guī)定安裝于試驗(yàn)夾具中，其端部能傳遞試驗(yàn)端部載荷。試驗(yàn)在整個閥體長度上施加一個恒定的力矩，并且閥體須至少經(jīng)受額定軸向拉力的作用，該軸向拉力是由閥門和管路中試驗(yàn)壓力的同時作用而在端部處產(chǎn)生的。

(4)振動老化試驗(yàn)

振動老化試驗(yàn)是驗(yàn)證振動環(huán)境對閥門裝置的影響。試驗(yàn)是在閥門裝置中隨機(jī)產(chǎn)生的，但是適當(dāng)?shù)恼駝蛹ふ袼?，代表正常電廠所產(chǎn)生的振動。

分別在閥門樣機(jī)3個正交軸方向輸入持續(xù)時間為90min的正弦掃描激振信號開展激振，試驗(yàn)中每隔15min對閥門開展一次開關(guān)試驗(yàn)。

3個方向振動試驗(yàn)完成后，檢查閥門的密封性能。然后再用最小驅(qū)動力(氣源壓力)開展一個完整的運(yùn)行循環(huán)試驗(yàn)。六、結(jié)語

在研制初期，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，結(jié)合公司大量的隔膜閥的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確立了核二級氣動隔膜閥的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過程中，通過多種設(shè)計(jì)手段來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果進(jìn)一步修正、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在樣機(jī)的動作壽命試驗(yàn)(冷態(tài)500次，熱態(tài)1500次)、流體阻斷試驗(yàn)以及流量系數(shù)試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)閥門表面密封處有冒汗、滲漏現(xiàn)象，試驗(yàn)中閥門能夠正常開啟關(guān)閉；試驗(yàn)后對