核一級升降式止回閥的設計與開(kāi)發(fā)
一、項目概況
隨著(zhù)國民經(jīng)濟持續快速增長(cháng)，為解決電力的“瓶頸”問(wèn)題，國家發(fā)改委明確核電遠景規劃，到2020年中國核電裝機容量將達到7000萬(wàn)～8000萬(wàn)kW。這意味著(zhù)今后國家要建設一批百萬(wàn)千瓦級核電站，提高核電發(fā)電量。
鑒于普通核電站閥門(mén)已部分國產(chǎn)化，但高要求的核一級閥門(mén)，技術(shù)要求嚴，安全系數高，是發(fā)達國家對我國技術(shù)封鎖或以昂貴價(jià)格賺取高額利潤的產(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)現核電站關(guān)鍵閥門(mén)的自主設計、制造、安裝和調試，實(shí)現國產(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建項目樣機攻關(guān)小組，通過(guò)借鑒國外經(jīng)驗，進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)、技術(shù)攻關(guān)。樣機研制成功將填補我國在這一領(lǐng)域的空白，改變長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面，為國家的核電建設作出貢獻。
1.項目立項
核工業(yè)第二研究設計院根據秦山二期擴建的要求，需對CH1-2″P16WR22R-K(YJ)進(jìn)行樣機制造，并進(jìn)行一系列型式試驗。
2.任務(wù)書(shū)的下達
核工業(yè)第二研究設計院下達了“壓水堆核電站升降式止回閥研制任務(wù)書(shū)”，文件編號：PLDSF200705。
3.閥門(mén)的功能
本任務(wù)書(shū)研制的閥門(mén)為百萬(wàn)千瓦級核電站安全注入系統使用的閥門(mén)，系統代號為RIS040VP。該閥門(mén)為核安全Ⅰ級，規范Ⅰ級，抗震類(lèi)別為1A，質(zhì)保等級Q1，閥體材料為不銹鋼，公稱(chēng)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)為反應堆冷卻劑(含硼水)。該閥門(mén)安裝于安全殼內側，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)似結構的閥門(mén)還可用于安全殼噴淋系統、安全注入系統、余熱導出、化學(xué)容積控制系統以及設備冷卻水等系統。
4.閥門(mén)的主要技術(shù)參數
閥門(mén)名稱(chēng)：核一級升降式止回閥。
閥門(mén)型號：CH1-2″P16WR22R-K(YJ)
公稱(chēng)通徑：DN50
公稱(chēng)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
5.設計標準
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(chǎng)能動(dòng)機械設備的鑒定。
3)RCC-M《壓力堆核島機械設備設計和制造規則》2000版+2002補遺。
4)ASMEB16.10閥門(mén)結構長(cháng)度。
5)IEEE382核電廠(chǎng)中具有安全相關(guān)功能的動(dòng)力操作閥組件執行機構的鑒定。
6)HAF003核電廠(chǎng)質(zhì)量保證安全規定。
二、研制過(guò)程
為了盡快完成樣機的研制，中核蘇閥成立了由總工程師直接領(lǐng)導下的研制項目組，由技術(shù)研發(fā)中心、核閥分廠(chǎng)、焊熱分廠(chǎng)、鍛造分廠(chǎng)、鑄造分廠(chǎng)、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，采取項目負責制，運用公司最好的人力和物力資源進(jìn)行此次樣機的研制。
1.密封結構設計
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(cháng)度在考慮節省成本和優(yōu)化設計的前提下，堆焊長(cháng)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(mǎn)足導向的條件下，減小了摩擦力，更利于開(kāi)啟。
2)有足夠的空間利于泄壓。
3)節約成本。
(2)密封面處密封形式由面密封改為線(xiàn)密封，如圖2所示。
圖2 密封形式
因為用球面對錐面的面密封明顯不能達到密封要求，因此改用鉸孔使之配成線(xiàn)密封，這樣便能滿(mǎn)足密封要求。
(3)密封面材料閥門(mén)設計時(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(zhù)硬度差，使它們具有優(yōu)良的耐磨、抗擦傷性能，使用穩定性好，并且防止咬死情況的出現。而且這些優(yōu)點(diǎn)已在中核蘇閥其他核電閥門(mén)設計中得到證實(shí)。
(4)主體毛坯選擇閥門(mén)主體毛坯采用了鍛件，并嚴格按照Q/DJ100.4R進(jìn)行超聲波探傷和液體滲透探傷。
(5)應力計算和抗震分析按RCC-M要求對閥體、閥瓣、閥蓋等進(jìn)行了詳細的應力計算，并進(jìn)行了自振頻率的計算，確定閥門(mén)的自振頻率大于33Hz后以等效靜力法按設計壓力+自重+動(dòng)載荷(SSE)+閥門(mén)驅動(dòng)力的載荷組合對閥門(mén)的危險斷面進(jìn)行抗震分析。其中閥門(mén)自振頻率的計算值為3169.4Hz。
2.工藝設計
(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)嚴格按照鍛造工藝規程和工序卡進(jìn)行，嚴格控制始鍛溫度、終鍛溫度、變形程度和變形速度，按工藝規程規定的冷卻方法進(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、晶間腐蝕試驗、金相組織分析，經(jīng)分析、試驗和測定，均符合相應標準。
鍛件的質(zhì)量通過(guò)超聲波檢驗和液體滲透檢驗來(lái)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(shí)，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)驗豐富、技術(shù)過(guò)硬的、由多名技師和高級技工組成的裝配、調試小組，負責閥門(mén)的裝配、調試、試驗，制訂了零部件的清洗工藝、裝配工藝，在裝配和調試中嚴格把關(guān)，精益求精，確保閥門(mén)的裝配、調試成功，并進(jìn)行了各類(lèi)性能試驗，各項指標均符合設計任務(wù)書(shū)的要求。
(4)過(guò)程檢驗 對閥門(mén)編制了質(zhì)量計劃，以確保閥門(mén)從原材料、毛坯投入、機加工、焊接、熱處理、無(wú)損檢測、清洗、裝配、出廠(chǎng)試驗以及各項型式試驗均得到質(zhì)量控制，并得到核工業(yè)第二研究設計院認可和現場(chǎng)見(jiàn)證。
三、型式試驗
編制了試驗程序，規定了需進(jìn)行的型式試驗的項目以及試驗順序，編制了相關(guān)的型式試驗大綱，清單如下：
1)試驗前檢驗大綱。
2)冷循環(huán)試驗大綱。
3)熱態(tài)功能和熱沖擊試驗。
4)中間檢驗大綱。
5)端部加載試驗大綱。
6)流量系數值測試。
7)試驗后檢驗大綱。
四、結語(yǔ)
核一級升降式止回閥的出廠(chǎng)試驗、試驗前檢驗、各項型式試驗、試驗后檢驗及各項型式試驗后所進(jìn)行的中間檢驗的各項性能測試指標(如密封性能)均符合設計任務(wù)書(shū)、規范書(shū)、RCC-M和ASMEQME-1的要求，所有型式試驗完成后進(jìn)行的拆散檢驗表明閥門(mén)零部件沒(méi)有明顯損傷的痕跡，所測尺寸與試驗前檢驗相比無(wú)明顯變化。
參考文獻
[1]楊源泉.閥門(mén)設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.
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