核一級升降式止回閥的設(shè)計(jì)與開發(fā)

核一級升降式止回閥的設(shè)計(jì)與開發(fā)

易全偉 高志崗 孫芳 張宗列

摘 要：介紹了核一級升降式止回閥的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)及其主要零件的材料。分析了核一級升降式止回閥冷態(tài)循環(huán)、流量、端部加載以及熱態(tài)功能和熱沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)過程及其技術(shù)要求。闡述了核一級升降式止回閥技術(shù)及其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵字：核一級  升降式止回閥  性能參數(shù)  結(jié)構(gòu)  材料

1 項(xiàng)目概況

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，為解決電力的“瓶頸”問題，國家發(fā)改委明確核電遠(yuǎn)景規(guī)劃，到2020年中國核電裝機(jī)容量將達(dá)到7000萬～8000萬kW。這意味著今后國家要建設(shè)一批百萬千瓦級核電站，提高核電發(fā)電量。    

鑒于普通核電站閥門已部分國產(chǎn)化，但高要求的核一級閥門，技術(shù)要求嚴(yán)，安全系數(shù)高，是發(fā)達(dá)國家對我國技術(shù)封鎖或以昂貴價格賺取高額利潤的產(chǎn)品。因而，要緩解核電投資過大矛盾的唯一出路就是盡快實(shí)現(xiàn)核電站關(guān)鍵閥門的自主設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

面對如此形勢，中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司成立了秦山二期擴(kuò)建項(xiàng)目樣機(jī)攻關(guān)小組，通過借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行自主開發(fā)、技術(shù)攻關(guān)。樣機(jī)研制成功將填補(bǔ)我國在這一領(lǐng)域的空白，改變長期依賴進(jìn)口的局面，為國家的核電建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

1.1 項(xiàng)目立項(xiàng)

核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院根據(jù)秦山二期擴(kuò)建的要求，需對CH1－2″P16WR22R－K（YJ）進(jìn)行樣機(jī)制造，并進(jìn)行一系列型式試驗(yàn)。

1.2 任務(wù)書的下達(dá)

核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院下達(dá)了“壓水堆核電站升降式止回閥研制任務(wù)書”，文件編號：PLDSF200705。

1.3 閥門的功能

本任務(wù)書研制的閥門為百萬千瓦級核電站安全注入系統(tǒng)使用的閥門，系統(tǒng)代號為RIS040VP。該閥門為核安全Ⅰ級，規(guī)范Ⅰ級，抗震類別為 1A，質(zhì)保等級Q1，閥體材料為不銹鋼，公稱直徑DN50mm，最高工作壓力為17.13MPa，最高工作溫度為343℃。閥門工作介質(zhì)為反應(yīng)堆冷卻劑 （含硼水）。該閥門安裝于安全殼內(nèi)側(cè)，閥體要求采用鍛件。

為增加該類閥門的通用性，增加該閥門具有安全殼隔離功能。

類似結(jié)構(gòu)的閥門還可用于安全殼噴淋系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)、余熱導(dǎo)出、化學(xué)容積控制系統(tǒng)以及設(shè)備冷卻水等系統(tǒng)。

1.4 閥門的主要技術(shù)參數(shù)

閥門名稱：核一級升降式止回閥。

閥門型號：CH1－2″P16WR22R－K（YJ）

公稱通徑：DN50

公稱壓力：1690lb（1lb=0.454kg）

安全等級：Ⅰ級

抗震要求：1A

工作溫度：343℃

工作壓力：17.13MPa

工作介質(zhì)：反應(yīng)堆冷卻劑

主體材料：M3301/Z2CND18－12N.S

密封面材料：STL6/STL6

使用壽命：40年

安裝位置：安全殼內(nèi)

1.5 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1）PLDSF200705壓水堆核電站升降式止回閥研制任務(wù)書。

2）ASMEQME－1核電廠能動機(jī)械設(shè)備的鑒定。

3）RCC－M《壓力堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和制造規(guī)則》2000版＋2002補(bǔ)遺。

4）ASMEB16.10閥門結(jié)構(gòu)長度。

5）IEEE382核電廠中具有安全相關(guān)功能的動力操作閥組件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鑒定。

6）HAF003核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定。

2 研制過程

為了盡快完成樣機(jī)的研制，中核蘇閥成立了由總工程師直接領(lǐng)導(dǎo)下的研制項(xiàng)目組，由技術(shù)研發(fā)中心、核閥分廠、焊熱分廠、鍛造分廠、鑄造分廠、制 造部、質(zhì)量管理部以及采購部等單位技術(shù)精英和管理人員組成，采取項(xiàng)目負(fù)責(zé)制，運(yùn)用公司最好的人力和物力資源進(jìn)行此次樣機(jī)的研制。

2.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥體和閥蓋采用帶纏繞式墊片密封的螺栓法蘭聯(lián)接，裝拆簡單方便，有足夠的可靠性。

(1) 閥瓣堆焊長度在考慮節(jié)省成本和優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提下，堆焊長度改進(jìn)如圖1所示。

此改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)有3個：

圖1 閥瓣堆焊

1）在滿足導(dǎo)向的條件下，減小了摩擦力，更利于開啟。

2）有足夠的空間利于泄壓。

3）節(jié)約成本。 

(2) 密封面處密封形式由面密封改為線密封，如圖2所示。

圖2 密封形式

因?yàn)橛们蛎鎸﹀F面的面密封明顯不能達(dá)到密封要求，因此改用鉸孔使之配成線密封，這樣便能滿足密封要求。

（3）密封面材料閥門設(shè)計(jì)時在閥體和閥瓣密封面處堆焊的是STL6，兩處雖然材料是相同的，但它們之間存在著硬度差，使它們具有優(yōu)良的耐磨、抗擦傷性能，使用穩(wěn)定性好，并且防止咬死情況的出現(xiàn)。而且這些優(yōu)點(diǎn)已在中核蘇閥其他核電閥門設(shè)計(jì)中得到證實(shí)。

（4）主體毛坯選擇閥門主體毛坯采用了鍛件，并嚴(yán)格按照Q/DJ100.4R進(jìn)行超聲波探傷和液體滲透探傷。

（5）應(yīng)力計(jì)算和抗震分析按RCC－M要求對閥體、閥瓣、閥蓋等進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算，并進(jìn)行了自振頻率的計(jì)算，確定閥門的自振頻率大于 33Hz后以等效靜力法按設(shè)計(jì)壓力＋自重＋動載荷（SSE）＋閥門驅(qū)動力的載荷組合對閥門的危險斷面進(jìn)行抗震分析。其中閥門自振頻率的計(jì)算值為 3169.4Hz。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

（1）主體毛坯的質(zhì)量控制本閥門的所有零件均為鍛件，鍛造時嚴(yán)格按照鍛造工藝規(guī)程和工序卡進(jìn)行，嚴(yán)格控制始鍛溫度、終鍛溫度、變形程度和變 形速度，按工藝規(guī)程規(guī)定的冷卻方法進(jìn)行冷卻。對鍛成品進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)、金相組織分析，經(jīng)分析、試驗(yàn)和測定，均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

鍛件的質(zhì)量通過超聲波檢驗(yàn)和液體滲透檢驗(yàn)來保證，按照RCC－M要求對鍛件進(jìn)行100%的超聲波探傷并評定，并對鍛件的全部表面進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)和評定。

（2）焊接為了提高堆焊質(zhì)量，對閥瓣和閥座的密封面堆焊采用了等離子氬弧焊工藝。同時，為確保焊接質(zhì)量，對生產(chǎn)中所用焊接工藝重新進(jìn)行了工藝評定。

（3）裝配試驗(yàn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品不僅需要高精度的零部件，更關(guān)鍵的是如何將這些高精度的零部件組裝成高性能的產(chǎn)品。中核蘇閥組織了一支經(jīng)驗(yàn)豐富、技 術(shù)過硬的、由多名技師和高級技工組成的裝配、調(diào)試小組，負(fù)責(zé)閥門的裝配、調(diào)試、試驗(yàn)，制訂了零部件的清洗工藝、裝配工藝，在裝配和調(diào)試中嚴(yán)格把關(guān)，精益求 精，確保閥門的裝配、調(diào)試成功，并進(jìn)行了各類性能試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。

（4）過程檢驗(yàn) 對閥門編制了質(zhì)量計(jì)劃，以確保閥門從原材料、毛坯投入、機(jī)加工、焊接、熱處理、無損檢測、清洗、裝配、出廠試驗(yàn)以及各項(xiàng)型式試驗(yàn)均得到質(zhì)量控制，并得到核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院認(rèn)可和現(xiàn)場見證。

三、型式試驗(yàn)

編制了試驗(yàn)程序，規(guī)定了需進(jìn)行的型式試驗(yàn)的項(xiàng)目以及試驗(yàn)順序，編制了相關(guān)的型式試驗(yàn)大綱，清單如下：

1）試驗(yàn)前檢驗(yàn)大綱。

2）冷循環(huán)試驗(yàn)大綱。

3）熱態(tài)功能和熱沖擊試驗(yàn)。

4）中間檢驗(yàn)大綱。

5）端部加載試驗(yàn)大綱。

6）流量系數(shù)值測試。

7）試驗(yàn)后檢驗(yàn)大綱。

四、結(jié)語

核一級升降式止回閥的出廠試驗(yàn)、試驗(yàn)前檢驗(yàn)、各項(xiàng)型式試驗(yàn)、試驗(yàn)后檢驗(yàn)及各項(xiàng)型式試驗(yàn)后所進(jìn)行的中間檢驗(yàn)的各項(xiàng)性能測試指標(biāo)（如密封性能） 均符合設(shè)計(jì)任務(wù)書、規(guī)范書、RCC－M和ASMEQME－1的要求，所有型式試驗(yàn)完成后進(jìn)行的拆散檢驗(yàn)表明閥門零部件沒有明顯損傷的痕跡，所測尺寸與試驗(yàn) 前檢驗(yàn)相比無明顯變化。