基于三代核電技術(shù)核一級大口徑電動閘閥研制技術(shù)研究

摘 要：閥門作為關(guān)鍵部件之一，其重要性是不可小視。文章介紹了三代核電中大口徑電動閘閥的工作原理、結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計計算，并進(jìn)行了試驗驗證研究，希望能夠為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供一些借鑒，僅供參考。

關(guān)鍵詞：三代核電；大口徑電動閘閥；技術(shù)研究

1 概述

第三代大型先進(jìn)壓水堆核電項目是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》確定的16個國家科技重大專項之一的子項，也是我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程之一。

閥門作為關(guān)鍵部件之一，其重要性是不可小視。本次研究的課題便是關(guān)鍵閥門之一：大口徑電動閘閥。

本類型閥門為大口徑電動閘閥，該閥適用于RCS、RNS、CVS、SGS、PCS和PXS系統(tǒng)，閥門電動裝置采用1E級直流電動機(jī)驅(qū)動，保證了在事故工況下，閥門仍能獲得驅(qū)動其動作的電源，并按系統(tǒng)的要求執(zhí)行其預(yù)期的安全有關(guān)功能。

2 三代核電閥門與二代+閥門對比

我國引進(jìn)的第三代核電技術(shù)，雖然其核級閥門的數(shù)量大為減少，但技術(shù)要求、技術(shù)難度、零部件加工制造要求更高；試驗、鑒定都有一些特定的要求；分析、計算尤其是可靠性分析等方面有特殊要求。

三代與二代+閥門相比存在以下差別（三代/二代+）：

（1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：ASME，但部分要求高于ASTM/RCC-M；（2）設(shè)計壽命：60年/40年；（3）操作循環(huán)：一般開關(guān)類閥門手動

6000次、電動3000 /隔離閥1500次；（4）地震加速度：6g/4g；（5）空間尺寸、重量及重心限定：包絡(luò)圖/無確切要求；（6）可靠性：“D-RAP”、“R”/無確切文件要求；（7）材料：部分閥門堆焊控制鈷含量/無要求；（8）熱附著工況：數(shù)據(jù)表中表述/無表述；（9）閥門導(dǎo)向面材料：有要求/無明確規(guī)定；（10）閥門細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)（唇邊焊、螺紋嚙合長度、密封面倒角、電裝緩沖裝置等）：有較多細(xì)致規(guī)定/相對少；（11）鑒定的文件要求：明確，基本按照ASME QM1-1的要求/不明確。

3 主要技術(shù)參數(shù)

閥門名稱：核一級大口徑電動閘閥；閥門型號：H1-10Z20WA2L-DU1U3（YJ）；公稱通徑：DN250；公稱壓力：2060lb；安全等級：SC-1；地震等級：QSA1；質(zhì)保等級：I；工作溫度：350℃；工作壓力：17.2MPa；工作介質(zhì)：反應(yīng)堆冷卻劑；閥門與管道連接方式：對接焊；主體材料：SA-351MCF3M；執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動、1E級、抗震I類、直流；閥位指示：開、關(guān)位置各一個；設(shè)計壽命：60年（易損件除外）；循環(huán)壽命：3000次（5次事件）。

4 設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

（1）ZB02K06A-V04-001-BG，大口徑電動閘閥研制任務(wù)書。（2）ZB02K06A-V04-002-BG，核級閥門1E級直流電動裝置研制任務(wù)書。（3）ASME BPVC-Ⅲ，核設(shè)施部件建造規(guī)格（2007版+2008補(bǔ)遺）。（4）ASME BPVC-Ⅺ，核設(shè)施設(shè)備在役檢查規(guī)則（2007版+2008補(bǔ)遺）。（5）ASME NQA-1，核設(shè)施質(zhì)量保證大綱要求。（6）MSSP-61，鋼制閥門壓力試驗。（7）ASME B16.34，法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

大口徑電動閘閥樣機(jī)的總體設(shè)計方案如圖1所示，閘板選用的是彈性閘板結(jié)構(gòu)，入口端閘板上開有直徑不超過6mm的泄壓孔，防止壓力鎖定和閥蓋異常升壓，閘板密封面堆焊STL6硬質(zhì)合金，使閥門在運行條件下防止咬住和粘連。閥體、閥蓋通過螺栓連接，并設(shè)計成密封焊結(jié)構(gòu)，中法蘭處用纏繞式墊片并設(shè)計成防過壓結(jié)構(gòu)；閥門的開關(guān)位置指示器采用了topworx的接近開關(guān)，閥桿與閥桿螺母連接的傳動螺紋全部采用梯形螺紋，達(dá)到能自鎖的目的，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇由常州電站輔機(jī)總廠來配套。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5.2 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.2.1 閥桿與閥桿螺母的自鎖結(jié)構(gòu)

閥桿與閥桿螺母連接的傳動螺紋全部采用梯形螺紋，螺距采用GB/T5796優(yōu)先選用螺距，能夠保證閥桿與閥桿螺母的摩擦系數(shù)小于等于0.07時自鎖。

5.2.2 閥體與閥蓋的密封結(jié)構(gòu)

閥體與閥蓋的密封結(jié)構(gòu)是通過拎緊螺母螺柱使閥體、中腔墊片、閥蓋三者之間行成密封形式。該結(jié)構(gòu)簡單且密封性好，在定期的維護(hù)、檢修中只需拆除螺栓螺母，即可輕松拆裝閥門。

5.2.3 填料密封結(jié)構(gòu)

填料為模壓的環(huán)形結(jié)構(gòu)，填料組中上、下兩圈為抗擠壓的編織填料環(huán)，中間為柔性石墨環(huán)，采用動載荷的形式，并對碟形彈簧位置指示以保證碟簧的壓緊量和填料壓蓋的應(yīng)力。如圖2所示。

5.2.4 閥門位置指示結(jié)構(gòu)

閥門位置指示結(jié)構(gòu)如圖3所示。

閥門設(shè)置了位置指示器，位置指示器采用topworx的產(chǎn)品，位置指示器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4

5.2.5 閥門扭矩的測試結(jié)構(gòu)

閥桿在填料上方設(shè)有大于76mm長的光滑區(qū)域，用以安裝傳感器以測量閥門的推力和扭矩，閥桿上永久安裝了應(yīng)變片，應(yīng)變片帶有連接到試驗設(shè)備上的插頭。

6 試驗驗證方案

針對該樣機(jī)的研制，后期將通過出廠試驗（包括殼體水壓試驗、閥座密封試驗、上密封試驗、填料密封試驗、動作性能試驗、閥座氣密封試驗）以及型式試驗（包括循環(huán)動作壽命試驗、熱沖擊試驗、振動老化試驗、動態(tài)特性探測試驗、抗震試驗）來進(jìn)行驗證。目前已完成所有試驗的試驗大綱編寫工作。

6.1 循環(huán)動作壽命試驗

試驗?zāi)康模罕昏b定的閥門在模擬工況下進(jìn)行開關(guān)3000次循環(huán)操作，檢查其功能能否保持，如壓力邊界能否保持完整、主要零部件有無損傷、開關(guān)動作是否正常、閥座處泄漏率是否超標(biāo)等。

試驗依據(jù)：ZB02K06A-V04-001-BG，大口徑電動閘閥研制任務(wù)書；ASME BPVC-Ⅲ（2007版+2008補(bǔ)遺），核設(shè)施部件建造規(guī)格；ASME QME-1-2007版核電廠用能動機(jī)械設(shè)備的鑒定。

6.2 熱沖擊試驗

試驗?zāi)康模簾釠_擊試驗，是用來證實試驗閥門在高溫時，管線系統(tǒng)中壓力不利的組合下開啟和關(guān)閉的能力。測定試驗閥門在工況下的開啟和關(guān)閉的最長時間。

試驗依據(jù)：ZB02K06A-V04-001-BG 大口徑電動閘閥研制任務(wù)書；

ASME BPVC-Ⅲ（2007版+2008補(bǔ)遺）核設(shè)施部件建造規(guī)格；

ASME QME-1-2007版核電廠用能動機(jī)械設(shè)備的鑒定。

6.3 振動老化試驗

試驗?zāi)康模候炞C振動環(huán)境對閥門裝置的影響。試驗是在閥門裝置中產(chǎn)生一種隨機(jī)的，但是適當(dāng)?shù)恼駝蛹ふ袼剑碚ｋ姀S所產(chǎn)生的振動。

試驗依據(jù)：ZB02K06A-V04-001-BG 大口徑電動閘閥研制任務(wù)書；

ASME BPVC-Ⅲ（2007版+2008補(bǔ)遺）核設(shè)施部件建造規(guī)格；

ASME QME-1-2007版核電廠用能動機(jī)械設(shè)備的鑒定。

6.4 動態(tài)特性探測試驗

試驗?zāi)康模簞討B(tài)特性探測試驗是用來確定試驗閥門裝置的自然頻率，其試驗所確定的自然頻率用以判斷試驗閥門裝置是柔性的還是剛性的，以及驗證閥門自然頻率計算方法和結(jié)果。

試驗依據(jù)：ZB02K06A-V04-001-BG 大口徑電動閘閥研制任務(wù)書；

ASME BPVC-Ⅲ（2007版+2008補(bǔ)遺）核設(shè)施部件建造規(guī)格；

ASME QME-1-2007版核電廠用能動機(jī)械設(shè)備的鑒定。

6.5 抗震試驗

試驗?zāi)康模和ㄟ^整機(jī)的動力試驗，考核其壓力邊界的完整性和在地震工況條件時可運行性。同時可了解閥門的薄弱部位在地震載荷作用下的動力響應(yīng)及控制電流的連續(xù)性。

試驗依據(jù)：ZB02K06A-V04-001-BG 大口徑電動閘閥研制任務(wù)書；

ASME BPVC-Ⅲ（2007版+2008補(bǔ)遺）核設(shè)施部件建造規(guī)格；

ASME QME-1-2007版核電廠用能動機(jī)械設(shè)備的鑒定。

7 結(jié)束語

核一級大口徑電動閘閥的研制對于發(fā)展我國三代核電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)具有重大意義，謹(jǐn)通過以上初步技術(shù)研究作拋磚引玉之舉。

參考文獻(xiàn)

[1]ASME BPVC-III.核設(shè)施部件建造規(guī)則（2007版+2008補(bǔ)遺）[S].

[2]楊源泉.閥門設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]GB/T 12234-2007.石油天然氣工業(yè)用螺栓連接閥蓋的鋼制閘閥[S].