核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥研制

2013-11-01 許文清上海一核閥門制造有限公司

　　介紹了核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥的技術(shù)參數(shù)、研制過程和型式試驗(yàn)的概況。

1、概述

　　核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥是百萬千瓦級(jí)壓水堆核電站中重要的裝置之一，屬于安全二級(jí)的部件。目前，國(guó)內(nèi)核電站機(jī)組用的核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥，完全依賴進(jìn)口，是尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的閥門。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為研制開發(fā)出性能可靠，滿足工況要求的核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥，對(duì)于我國(guó)自主發(fā)展核電事業(yè)，提高核電站國(guó)產(chǎn)化率，提升我國(guó)閥門的設(shè)計(jì)和制造水平，具有積極的意義。

2、技術(shù)參數(shù)

　　設(shè)備名稱核二級(jí)氣動(dòng)隔膜閥，型號(hào)規(guī)格H2G6B66W-150LbDN80。RIN碼MINFSJ-F-G；RCC-P2級(jí)；RCC-M2級(jí)；公稱壓力2.0MPa(150Lb)；設(shè)計(jì)壓力1.1MPa；設(shè)計(jì)溫度120℃；工作壓力≤1.1MPa；工作溫度≤120℃；質(zhì)保等級(jí)Q1；抗震類別1A；行程時(shí)間20s；流量系數(shù)L/D≤135；動(dòng)作壽命次數(shù)2000；2000次動(dòng)作后密封面泄漏率0；氣源壓力0.4～0.95MPa；閥門適用系統(tǒng)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)等；典型介質(zhì)反應(yīng)堆冷卻劑；主體材料RCC-MM3402Z3CN20-09M；隔膜材料EPDM。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　3.1、閥體

　　氣動(dòng)隔膜閥(圖1)閥體流道采用直通式縮頸結(jié)構(gòu)，在滿足閥門流通能力要求的前提下，可以縮短閥門的行程。從而減小隔膜的曲撓變形和變形產(chǎn)生的應(yīng)力，延長(zhǎng)隔膜的使用壽命。密封面采用球面密封，由于流道設(shè)計(jì)為縮頸結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)出口與中腔連接處形成雙重密封，具有密封性能好，操作力矩小等優(yōu)點(diǎn)。

　　3.2、隔膜

　　隔膜采用金屬閥瓣與橡膠整體膜壓成型，結(jié)合牢固均勻，不會(huì)產(chǎn)生脫殼現(xiàn)象，且尺寸、形狀精度高。隔膜形狀設(shè)計(jì)成雙重功能結(jié)構(gòu)，即隔膜的下部設(shè)計(jì)為半球體狀，其功能是作為閥門的關(guān)閉件實(shí)現(xiàn)管路介質(zhì)的接通或截?cái)唷８裟さ纳喜繛榕锠�，其功能是作為�?a target="_blank" href="http://www.13house.cn/engineering/042972.html">法蘭墊片及閥體流道與閥蓋之間隔離的作用，并承受著閥門開啟和關(guān)閉過程中的介質(zhì)作用力和曲撓應(yīng)力。由于盆狀部分弧面設(shè)計(jì)較為平坦，彎曲程度較小，隔膜的使用壽命長(zhǎng)。

核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥

圖1 核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥

　　3.3、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操作薄膜與缸體沒有相對(duì)摩擦，不會(huì)磨損，無內(nèi)外泄漏，使用壽命長(zhǎng)(圖2)。采用單作用彈簧復(fù)位設(shè)計(jì)，碟形彈簧采用對(duì)合的組合方式，來獲得所需的設(shè)計(jì)載荷(閥門關(guān)閉力)，彈簧的數(shù)量由閥門的行程、單個(gè)彈簧的變形量設(shè)計(jì)確定。采用碟形彈簧替代圓柱螺旋彈簧可縮小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量，減少了閥門外伸結(jié)構(gòu)的高度，從而降低了重心位置，提高了閥門的抗震能力。殼體和下殼體的法蘭邊緣設(shè)計(jì)制造成翻邊形狀，提高了殼體的剛度，防止因法蘭變形而產(chǎn)生泄漏。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)有手動(dòng)鎖定裝置，能使閥門鎖定在開或關(guān)的位置，確保閥門安全運(yùn)行(圖3)。

4、設(shè)計(jì)計(jì)算

　　在開發(fā)核二級(jí)手動(dòng)/氣動(dòng)直通式隔膜閥過程中，對(duì)閥門本體和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算。計(jì)算時(shí)根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了最大操作軸向力計(jì)算，校核隔膜和操作薄膜的強(qiáng)度。在氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，分別對(duì)機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了計(jì)算，通過計(jì)算確定了碟形彈簧的厚度、數(shù)量、直徑、彈簧的工作載荷及工作行程，以及彈簧的疲勞壽命次數(shù)等主要參數(shù)。在操作薄膜的計(jì)算中，根據(jù)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸向力，一般取閥門最大操作軸向力的1.3～1.5倍確定操作薄膜的參數(shù)和尺寸，保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠傳動(dòng)。通過對(duì)樣機(jī)產(chǎn)品的鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所選參數(shù)的合理性。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

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

圖2 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

手動(dòng)鎖定裝置

1.手動(dòng)鎖定桿 2.游標(biāo) 3.手輪

圖3 手動(dòng)鎖定裝置

5、材料選擇

　　隔膜和O形圈采用三元乙丙膠(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(dòng)態(tài)彎曲作用下的壽命不僅與隔膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，更與橡膠材料的機(jī)械性能有關(guān)。橡膠機(jī)械性能與材料的配方、防老劑的組合和硫化工藝等有關(guān)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定了滿足核級(jí)隔膜閥要求的橡膠配方、硫化工藝和性能指標(biāo)，其橡膠性能指標(biāo)達(dá)到ASTMD412的要求。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸和氣缸蓋采用了具有較高強(qiáng)度的鍋爐用鋼SCPH壓制而成，碟形彈簧選用具有較高的疲勞強(qiáng)度和彈性模量的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，操作薄膜采用天然橡膠+錦綸網(wǎng)布模壓而成，具有較高的耐曲撓性能和拉伸強(qiáng)度。

6、型式試驗(yàn)

　　按照相關(guān)要求，編制了鑒定試驗(yàn)程序，規(guī)定了需要進(jìn)行的型式試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)順序。鑒定試驗(yàn)程序包括試驗(yàn)前檢驗(yàn)大綱、隔膜材料耐輻照試驗(yàn)大綱、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)大綱、冷態(tài)循環(huán)試驗(yàn)大綱、熱態(tài)循環(huán)試驗(yàn)大綱、壽命試驗(yàn)大綱、熱沖擊試驗(yàn)大綱、流體阻斷試驗(yàn)大綱、中間檢驗(yàn)大綱、振動(dòng)探測(cè)試驗(yàn)大綱、振動(dòng)老化試驗(yàn)大綱、地震試驗(yàn)大綱、端部加載試驗(yàn)大綱、流量系數(shù)試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)后檢驗(yàn)大綱等。

　　6.1、試驗(yàn)前檢驗(yàn)

　　試驗(yàn)前檢驗(yàn)是為確保試驗(yàn)閥門組件的合適程度和建立閥門組件性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(表1)，并在完成試驗(yàn)程序后將這些基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)后檢查數(shù)據(jù)相比較，而進(jìn)行了試驗(yàn)前檢查。

核級(jí)氣動(dòng)隔膜閥研制

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

7、分析

　　試驗(yàn)后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)前檢驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，以確定鑒定試驗(yàn)對(duì)閥門功能的影響。試驗(yàn)中閥門密封性能滿足要求，未發(fā)現(xiàn)介質(zhì)泄漏現(xiàn)象，壓力邊界保持完好。拆散檢驗(yàn)表明閥門零部件沒有明顯損傷的痕跡，所測(cè)尺寸與試驗(yàn)前檢驗(yàn)相比無明顯變化。