核一級(jí)升降式止回閥的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

核一級(jí)升降式止回閥的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

易全偉 高志崗 孫芳 張宗列

摘 要：介紹了核一級(jí)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(jí)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(guò)程及其技術(shù)要求。闡述了核一級(jí)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(jí)  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(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，為解決電力的“瓶頸”問(wèn)題，國(guó)家發(fā)改委明確核電遠(yuǎn)景規(guī)劃，到2020年中國(guó)核電裝機(jī)容量將達(dá)到7000萬(wàn)～8000萬(wàn)kW。這意味著今后國(guó)家要建設(shè)一批百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站，提高核電發(fā)電量。    

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

面對(duì)如此形勢(shì)，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(guò)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)、技術(shù)攻關(guān)。樣機(jī)研制成功將填補(bǔ)我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白，改變長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，為國(guó)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(duì)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(shū)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(shū)”，文件編號(hào)：PLDSF200705。

1.3 閥門(mén)的功能

本任務(wù)書(shū)研制的閥門(mén)為百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站安全注入系統(tǒng)使用的閥門(mén)，系統(tǒng)代號(hào)為RIS040VP。該閥門(mén)為核安全Ⅰ級(jí)，規(guī)范Ⅰ級(jí)，抗震類(lèi)別為 1A，質(zhì)保等級(jí)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(mén)工作介質(zhì)為反應(yīng)堆冷卻劑 （含硼水）。該閥門(mén)安裝于安全殼內(nèi)側(cè)，閥體要求采用鍛件。

為增加該類(lèi)閥門(mén)的通用性，增加該閥門(mén)具有安全殼隔離功能。

類(lèi)似結(jié)構(gòu)的閥門(mén)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(mén)的主要技術(shù)參數(shù)

閥門(mén)名稱：核一級(jí)升降式止回閥。

閥門(mén)型號(hào)：CH1－2″P16WR22R－K（YJ）

公稱通徑：DN50

公稱壓力：1690lb（1lb=0.454kg）

安全等級(jí)：Ⅰ級(jí)

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(shū)。

2）ASMEQME－1核電廠能動(dòng)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(mén)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。

5）IEEE382核電廠中具有安全相關(guān)功能的動(dòng)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(guò)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(gòu)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(jiǎn)單方便，有足夠的可靠性。

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

此改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)：

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(kāi)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?duì)錐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(mén)設(shè)計(jì)時(shí)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(mén)設(shè)計(jì)中得到證實(shí)。

（4）主體毛坯選擇閥門(mén)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(duì)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(mén)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(dòng)載荷（SSE）＋閥門(mén)驅(qū)動(dòng)力的載荷組合對(duì)閥門(mén)的危險(xiǎn)斷面進(jìn)行抗震分析。其中閥門(mén)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(mén)的所有零件均為鍛件，鍛造時(shí)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(duì)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(cè)定，均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

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

（2）焊接為了提高堆焊質(zhì)量，對(duì)閥瓣和閥座的密封面堆焊采用了等離子氬弧焊工藝。同時(shí)，為確保焊接質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)中所用焊接工藝重新進(jìn)行了工藝評(píng)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(guò)硬的、由多名技師和高級(jí)技工組成的裝配、調(diào)試小組，負(fù)責(zé)閥門(mén)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(mén)的裝配、調(diào)試成功，并進(jìn)行了各類(lèi)性能試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求。

（4）過(guò)程檢驗(yàn) 對(duì)閥門(mén)編制了質(zhì)量計(jì)劃，以確保閥門(mén)從原材料、毛坯投入、機(jī)加工、焊接、熱處理、無(wú)損檢測(cè)、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(chǎng)見(jiàn)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(cè)試。

7）試驗(yàn)后檢驗(yàn)大綱。

四、結(jié)語(yǔ)

核一級(jí)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(cè)試指標(biāo)（如密封性能） 均符合設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、規(guī)范書(shū)、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(mén)零部件沒(méi)有明顯損傷的痕跡，所測(cè)尺寸與試驗(yàn) 前檢驗(yàn)相比無(wú)明顯變化。