三門核電1#、2#機組設備閘門力矩值偏差分析

秦小軍

摘要：安全殼系統用于在正常運行模式下包容泄漏的放射性產物，屏蔽堆芯和反應堆冷卻劑系統。設備閘門屬于鋼制安全殼的一部分，用于生產階段大宗材料、物項進出安全殼廠房。三門核電1#、2#機組設備閘門結構基本相似，但設備閘門關閉的最終力矩值相差頗大。通過分別對兩設備閘門的結構和緊固力進行分析，可知兩設備閘門在對應緊固力矩下均能滿足密封要求。

關鍵詞：設備閘門；密封；緊固力矩 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2016）21-0062-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.030

1 功能介紹

三門核電1#、2#機組安全殼系統分別有兩個設備閘門，分別位于107英尺平臺和135英尺平臺。設備閘門屬于安全殼系統的不可分離的一部分，開啟后將與附屬廠房連通，提供大宗設備物項的進出通道。正常運行期間，設備這門必須完全關閉，提供可靠的密封，以包容可能泄漏的放射性產物以及屏蔽堆芯和反應堆冷卻劑系統。正常關閉情況下，設備閘門允許有0.1 l/m的泄漏率。此外，電站換料期間進行頂蓋拆裝、堆內構件吊裝、裝換料時以及其他應急工況下，需在20分鐘內緊急關閉，以免應急工況下可能的放射性擴散。

設備閘門的密封方式為傳統的法蘭密封圈密封，依靠緊固螺栓提供的預緊力壓縮密封圈密封。

2 結構簡介

設備閘門的主要組成結構為：蝶形封頭、法蘭與貫穿筒體、鉸鏈螺栓、O型密封圈、臨時橋架、手拉葫蘆、導向軌、懸掛裝置和卷揚機。

設備閘門法蘭與筒體的內徑為?4876.9mm，重量約為10.3T，設計承受壓力（從內向外）值約為0.4Mpa屬于C級設備。設備閘門關閉時位于圖1虛線所示位置。當需要開啟時，卷揚機勾住蝶形封頭的提升吊耳，松掉所有蝶形螺栓，提升蝶形封頭指上限位并支撐在懸掛裝置上。導向軌用于提升和下降過程中防止蝶形封頭的晃動并提供導向。

2.1 鉸鏈螺栓

為了便于拆裝，設備閘門密封緊固螺栓采用鉸鏈螺栓，詳見圖2。該螺栓常見于機加工種的工件夾持，拆卸時僅需擰松部分螺紋并旋轉即可。三門1#、2#機組設備閘門的鉸鏈螺栓雖然尺寸和數量上有差異，但主要結構一致。

2.2 密封件

設備閘門的密封件材質為EPDM，密封件有2個O型密封圈，在設備閘門法蘭面上同心布置。密封圈的安裝時，按入密封槽內。兩道密封圈之間設有設備閘門氣密性試驗流道，外部用閥門密封。試驗中，外接壓縮空氣并保壓，檢驗密封圈的密封情況。

3 工況狀態分析

設備閘門正常運行工況下常關，以保證安全殼系統的完整性。此時，設備閘門作為安全殼的不可分割的一部分，用于包容整個核島，防止放射性的外泄。

停堆換料大修過程中，設備閘門的狀態將多次改變。停堆降溫降壓后，打開設備閘門，用于提供檢修設備、大宗材料等通道。當需要執行反應堆壓力容器開蓋或其他可能有較大放射性外泄風險時，設備閘門需緊急關閉（4顆鉸鏈螺栓）。堆芯卸料完成后，如有需要可能還需要打開設備閘門，提供必要的通道。裝料前，必須再次將設備閘門緊急關閉，以滿足法規要求。裝料結束、反應堆壓力容器扣蓋后，打開設備閘門，為檢修設備、大宗材料等提供出核島的通道。最后，關閉設備閘門，建立安全殼的密封。

設備閘門泄漏率試驗，可以理解為第三種工況。上述兩種工況下，核島內的氣壓一般大于核島外的大氣壓，密封圈承受壓力更大，密封性更佳。泄漏率試驗中，密封圈之間充入壓縮空氣，給設備閘門施加向核島內的推力，相當于核島內氣壓小于核島外大氣壓。

4 1#、2#機組設備閘門區別

三門核電1#機組設備閘門由日本IHI供貨，2#機組設備閘門由大連日立供貨，兩設備閘門主體結構一致，但部分詳細結構不一樣。

1#、2#設備閘門的提升和下降裝置均為葫蘆式，但有細微結構差距。1#設備閘門懸掛裝置為掛鉤型，2#則為卸扣式。1#設備閘門的偏心機構可調節范圍為0-30mm，2#則為0-25.4mm。1#設備閘門的臨時橋架懸掛點在外部切儲存在外部平臺上，2#的懸掛點在內部切儲存在蝶形封頭上。

此外，1#、2#設備閘門的緊固件和密封圈的差異如表1所示：

如上對比可知，1#、2#設備閘門的緊固力矩相差約為4倍，兩者的密封性需進行確認。

5 設備閘門密封可靠性分析

根據設備閘門的三種工況分析，對于密封圈而言，泄漏率試驗時密封圈的密封比壓最小。故，只要能保證泄漏率試驗（0.455Mpa）時的密封性，也就能保證其他兩種工況的密封性要求。

泄漏率試驗保壓時，設備閘門密封圈之間的壓力值將產生指向安全殼內部的軸向力，緊固件的合力指向安全殼外部的軸向力。下面分別根據1、2#機組設備閘門尺寸進行泄漏率試驗受力分析。

5.1 密封圈受力分析

5.1.1 三門1#機組設備閘門

由鉸鏈螺栓的型號1 5/8-8UN，查詢美標螺紋標準：

螺距：p1=25.4/8=3.175mm

大徑：D1=41.3mm

中徑：d12=D1-0.6495p??1=39.24mm

升角：ψ1=arc tan=1.476°

螺紋旋轉時，為鋼對鋼滑動摩擦且有潤滑，故取滑動摩擦因數f=0.12

摩擦角：ρ=arc tan f=6.84°

參數：tan（ψ1+ρ）=0.146

單根螺栓所提供的軸向力為：

Q1==349.1KN

20根螺栓所提供的總的軸向力為：

F11=n1Q1=6982kN

泄漏率實驗所產生的軸向力分析如下：

承壓面積：S1=π（r2112-r2122）=595586mm2

壓力產生的軸向力：F12=PS1=271kN

兩個軸向力的合力：F合1=F11-F12=6711kN

5.1.2 三門2#機組設備閘門

緊固件所提供的軸向力分析如下：

由鉸鏈螺栓的型號M27×3-6g，可知：

螺距：p2=3mm

大徑：D2=27mm

中徑：d22=D2-0.6495p2=25.05mm

升角：ψ2=arctan=2.184°

螺紋旋轉時，為鋼對鋼滑動摩擦且有潤滑，故取滑動摩擦因數f=0.12

摩擦角：ρ=arctanf=6.84°

參數：tan（ψ2+ρ）=0.1588

單根螺栓所提供的軸向力為：

Q2==120.67kN

36根螺栓所提供的總的軸向力為：

F21=n2Q2=4343.96kN

泄漏率試驗壓力所產生的軸向力分析如下：

承壓面積：S2=π（r2212-r2222）=791546mm2

壓力產生的軸向力：F22=PS2=355.6kN

兩個軸向力的合力：F合2=F21-F22=3988.36kN

從上述分析可以看出，在泄漏率試驗時，鉸鏈螺栓所提供的軸向力均遠大于試驗壓力所產生的反方向的軸向力。即，鉸鏈螺栓均能夠給密封墊片等密封結構提供密封預緊力。

5.2 密封比壓力分析

為使密封不泄露，必須施加在墊片上的壓應力稱為密封比壓力，包括預緊密封比壓力、工作密封比壓力。此外，密封所必須的壓緊力的大小不僅與泄漏率試驗壓力有關，還與墊片的尺寸和結構基本性能有關。

5.2.1 三門1#機組設備閘門

1#機組設備閘門的密封方式為半圓環式密封圈，密封槽為外八槽。密封圈的材質為三元乙丙橡膠，截面尺寸為寬w=11.8mm，長L=14.8mm。

查詢墊片基本密封寬度可知：

b0==1.475，b0<6.4mm

故取墊片的有效密封寬度：b=b0=1.475mm

根據墊片的材質，查詢墊片性能參數表，可知：

預緊密封比壓力：y=2.8MPa

墊片系數：m=1.25

兩道密封之間直徑的差距非常小，可以忽略不計。即，默認兩道密封所需要的預緊力一樣。

預緊狀態下所需要的最小墊片壓緊力：

FG1=3.14DGby=3.14×5004×1.475×2.8=64.892kN

工作狀態下需要的最小墊片預緊力為：

Fp1=6.28DGbmp=6.28×5004×1.475×1.25×0.455=26.36kN

F合1-FG1>>0，故緊固螺栓能提供足夠的密封預緊力。

5.2.2 三門2#機組設備閘門

是2#機組設備閘門的密封方式為O形環自緊式密封，密封槽為內八槽。查詢墊片性能參數可知，m=y=0。

由預緊狀態下需要的最小墊片預緊力：

FG2=3.14DGby=0

由工作狀態下需要的最小墊片預緊力：

Fp2=6.28DGbmp=0

從上述內容可知，2#機組設備閘門的密封方式不需要預緊力，完全可以自密封。此外，密封槽的最大尺寸為16.12 mm，而密封圈的直徑為19.05 mm，密封圈在安裝到密封槽就已經處于壓縮狀態。

F合2-FG2>>0，故，緊固螺栓能 提供足夠的密封預緊力。

通過上述分析計算可知三門1#、2#機組設備閘門關閉力矩值相差較大，但鉸鏈螺栓規格、數量和密封圈、密封槽結構相互補償后，均能夠滿足設備閘門的密封要求。

6 結束語

三門核電1#機組設備閘門已經完成調試，泄漏率試驗順利通過。三門核電2#機組設備閘門還未調試使用。本文對其結構、密封性進行了分析，希望能對三門核電1#、2#設備閘門的開、關以及泄漏率試驗提供參考。

參考文獻

[1] 龍振宇，機械設計[M].北京：機械工業出版社，2002.7

（責任編輯：王 波）