核安全級閥門(mén)的試驗研究

1、概述

　　隨著(zhù)新能源技術(shù)的快速發(fā)展，核能作為清潔能源已得到世界各國的公認，并爭相發(fā)展。我國出臺的有關(guān)能源規劃表明，從2010~2020年，中國將新建核電站31座，核電裝機容量達到4000萬(wàn)kW，核電比重由現在的1.69%提升到4%。這也標志著(zhù)核電將在中國未來(lái)的電力發(fā)展中扮演更重要的角色。閥門(mén)是核電裝置中的安全附件之一，其作為流體介質(zhì)管路傳輸中的重要控制設備，功能性是否滿(mǎn)足要求直接關(guān)系到整個(gè)核設施的安全。本文以用于中國實(shí)驗快堆(CEFR)的核安全2級鈉截止閥(DN40-T形、DN40-Z形)和止回閥(DN40-T形)為例，介紹該產(chǎn)品壽命試驗和抗地震試驗的方法。

2、參照標準

　　CEFR的核安全2級鈉截止閥(DN40-T形、DN40-Z形)和止回閥(DN40-T形)在制造過(guò)程中遵循的主要標準和規范如下。

　　ASME BPV-Ⅲ-1-95ND級設備

　　ASME BPV-Ⅱ-95材料技術(shù)條件

　　ASME BPV-Ⅴ-95無(wú)損檢驗

　　HAF 0902-95民用核承壓設備無(wú)損檢驗人員培訓、考核和取證管理辦法

　　GB 9115.1-GB9115.26-88對焊鋼制管法蘭

　　GB 12221-2005金屬閥門(mén)結構長(cháng)度

3、試驗

3.1、壽命試驗

　　核級閥門(mén)設計使用壽命為40年。閥門(mén)按EJ/T 1022.11標準進(jìn)行了機械磨損、熱老化和輻照老化等相關(guān)試驗。

　　(1)機械磨損試驗

　　機械磨損試驗是驅動(dòng)裝置加載情況下(相當于與閥門(mén)連接帶動(dòng)閥門(mén)開(kāi)或關(guān)時(shí)所受到的力)，經(jīng)2000次循環(huán)動(dòng)作試驗。試驗后，驅動(dòng)裝置應運轉正常。

　　(2)熱老化試驗

　　熱老化試驗是試驗過(guò)程中，驅動(dòng)裝置經(jīng)過(guò)2000次連續循環(huán)操作，并在加載情況下進(jìn)行。驅動(dòng)裝置置于干燥空氣中加熱至135℃，試驗950h。

　　(3)輻照老化試驗

　　輻照老化試驗前，驅動(dòng)裝置在加載情況下，完成所要求的機械磨損老化試驗操作循環(huán)次數的5%。輻照試驗在干空氣中進(jìn)行，溫度為70±3℃，γ射線(xiàn)累計輻照劑量為250kGy。輻照試驗前，閥門(mén)應轉動(dòng)靈活、密封性能符合要求。輻照試驗后再重復進(jìn)行動(dòng)作試驗和密封試驗等，其結果應和輻照前保持一致。

3.2、抗地震試驗

　　抗地震試驗是為滿(mǎn)足核電站閥門(mén)設備的需要，按照IEEE 344、GB 136255核電廠(chǎng)安全系統電氣設備抗震鑒定6和HAFJ 0053《核設備抗震鑒定試驗指南》的要求進(jìn)行�？拐鹪囼灥捻椖坑袦y試閥門(mén)的自震頻率與阻尼比、五次OBE地震反應考核試驗、一次SSE地震反應考核試驗和性能試驗。

　　模擬地震振動(dòng)臺的震動(dòng)方向為X、Y、Z三方向六自由度，最大加速度為X方向=±4.0g、Y方向=±2.0g、Z方向=±4.0g。頻率范圍為0.1～100Hz。

　　試驗時(shí)，樣機閥門(mén)安裝在剛性底座上(圖1)，剛性底座與振動(dòng)臺面之間采用螺母固定。與閥門(mén)垂直方向為振動(dòng)臺激勵的X方向，與此垂直的方向為Y方向，豎向為Z方向。

圖1 Z形鈉截止閥安裝在地震試驗臺上

　　(1)動(dòng)態(tài)特性探查試驗

　　閥門(mén)進(jìn)出口方向(Y向)的固有頻率為24.42Hz，在垂直于進(jìn)出口方向(X)的固有頻率為13.66Hz，在垂向(Z)的固有頻率74.70Hz。

　　(2)OBE地震試驗

　　5次OBE試驗中，臺面X、Y、Z方向輸入速度加速度為圖2所示(在此僅以X方向為代表)加速度曲線(xiàn)的0.65倍，其中任意兩條曲線(xiàn)的相關(guān)系數均小于0.2，且強震部分大于10s，三方向幅度幅值分別為0.709g、0.741g和0.676g，大于對應的要求譜的零周期加速度0.49g、0.59g、0.52g。圖3給出了X方向加速度輸入的時(shí)程反應譜與要求反應譜(試驗設定譜)的包絡(luò )情況(OBE的譜值為圖示譜值的0.65倍)，臺面加速度的反應譜能完全包絡(luò )要求的反應譜。5次OBE試驗測量結果有很好的重復行。

圖2 SSE地震試驗Z方向臺面射程

1.測量值 2.理論值

圖3 SSE地震試驗Z方向臺面加速度時(shí)程反應譜對要求譜的包絡(luò )

　　第5次OBE試驗中閥體上部法蘭處的加速度響應示于圖2，加速度的最大幅值列于表1中。由圖可見(jiàn)，支撐法蘭處加速度計在閥門(mén)開(kāi)的過(guò)程中受電機轉動(dòng)的影響，曲線(xiàn)上有接近于9s的時(shí)間段響應幅值較大。在試驗中第5次OBE試驗中閥體驅動(dòng)裝置機構上部的加速度時(shí)程示于圖4，加速度的最大幅值列于表1中。

表1 OBE和SSE試驗中加速度測量結果

圖4 第5次OEB試驗閥門(mén)驅動(dòng)機構頂部加速度

(上至下分為X，Y，和Z向)

　　5次OBE試驗中閥門(mén)的最大應力分別為19.8MPa、21.32MPa、21.72MPa、21.41MPa和21.56MPa，出現在閥門(mén)的閥體支撐懸臂的根部(應變測點(diǎn)1)。每次OBE試驗中閥門(mén)均能在9s內完成開(kāi)關(guān)操作，未發(fā)現泄漏。

　　(3)SSE地震試驗

　　SSE試驗中臺面的X、Y、Z三向地震時(shí)程以X向為例如圖2所示，它們的反應譜與各自要求反應譜的包絡(luò )情況見(jiàn)圖3，三方向加速度幅值分別為1.09g、1.14g和1.04g，大于對應的要求譜的零周期加速度0.76g、0.91g、0.80g。臺面加速度的反應譜完全包絡(luò )要求的反應譜。三方向臺面加速度的功率譜密度(PSD)見(jiàn)圖5，它們均能包絡(luò )由對應的要求反應譜計算得到的PSD80%的曲線(xiàn)。閥體驅動(dòng)機構上部的加速度幅值見(jiàn)表1。閥體支撐懸臂根部最大應力為44.00MPa。

圖5 SSE地震試驗Y方向臺面輸入加速度PSD

　　試驗中和試驗后閥門(mén)均能在9s內完全開(kāi)關(guān)操作。閥體結構未見(jiàn)損壞。試驗后對閥門(mén)在1.2MPa壓力下保壓15min，未見(jiàn)任何泄漏，密封完好。閥門(mén)的外觀(guān)檢查未見(jiàn)變形損壞。

　　(4)試驗結果

　　試驗后閥門(mén)結構的動(dòng)態(tài)特性Y向的固有頻率為23.68Hz，X向固有頻率13.66Hz，在垂向Z的固有頻率為75.47Hz。

3.3、其他試驗

　　在試驗的質(zhì)量檢驗工作中進(jìn)行了材料成分、機械性能，沖擊韌性、焊接、熱處理、無(wú)損檢驗、外觀(guān)和尺寸等檢驗，及殼體水壓試驗和密封試驗，防腐蝕、清洗和清潔度保持等系列工作。

4、結語(yǔ)

　　CEFR的核安全2級Z形鈉截止閥經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)動(dòng)作試驗、老化試驗和輻照試驗符合要求�？沟卣鹂己嗽囼灲Y果表明，按照中國原子能院提供的樓層反應譜進(jìn)行的5次OBE地震反應考核試驗和1次SSE地震反應考核試驗，試驗過(guò)程中X、Y、Z三方向的臺面加速度反應譜，包絡(luò )了試驗要求的反應譜。在所進(jìn)行的OBE和SSE地震反應考核試驗過(guò)程中和試驗結束后，樣機外形結構及外觀(guān)沒(méi)有裂紋，支耳和驅動(dòng)裝置轉動(dòng)正常，配對法蘭及法蘭配件(螺釘、螺母及墊片)沒(méi)有松動(dòng)或脫落等不正�，F象。核級閥門(mén)(樣機)在設計使用壽命期限內，轉動(dòng)靈活，密封性能符合要求。對于類(lèi)型相同，尺寸小于經(jīng)過(guò)抗地震試驗(抗震指標相同)的閥門(mén)可以沿用此試驗結果。另外同等類(lèi)型尺寸一致的閥門(mén)，如果已經(jīng)過(guò)抗地震試驗，并且其抗震指標要求低，可進(jìn)行對照分析，也同樣可借薦使用，以減少經(jīng)費投入。