核電廠(chǎng)電氣貫穿件閥門(mén)組件設計及驗證

　　為滿(mǎn)足核電廠(chǎng)電氣貫穿件壓力監控系統的密封性，采用一體式結構設計滿(mǎn)足規范要求的閥門(mén)組件，并基于有限元分析方法，應用ANSYS進(jìn)行力學(xué)分析計算評定，同時(shí)通過(guò)設計驗證試驗驗證了組件的密封性能。

1、概述

　　核電廠(chǎng)安全殼電氣貫穿件是安裝在反應堆安全殼上用于各種線(xiàn)纜貫穿反應堆安全殼的專(zhuān)用電氣設備，需具備壓力邊界的完整性、電氣連續性和密封可靠性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為對核電廠(chǎng)的安全運行至關(guān)重要。電氣貫穿件閥門(mén)組件是電氣貫穿件中與密封性能密切相關(guān)的重要部件之一，安裝在電氣貫穿件的筒體組件與筒體內部連通的一側端板上，主要起監測電氣貫穿件筒體組件內部壓力的作用。通過(guò)壓力監測值的變化，可以有效監控電氣貫穿件的密封性能。

2、分析

　　現有的電氣貫穿件閥門(mén)組件一般由不銹鋼壓力表、三通閥門(mén)、三通接頭以及引壓管等部件構成，各部件通過(guò)可拆卸式卡套連接實(shí)現連接處的密封�，F有的閥門(mén)組件存在著(zhù)不能滿(mǎn)足使用要求的問(wèn)題，需要改進(jìn)。

　　(1)連接接頭多，導致組裝和檢測工作量大。

　　(2)結構不緊湊，一階自振頻率較低。

　　(3)現有的卡套連接結構，要求加工精度高，批量生產(chǎn)效率低。

　　(4)支撐組件與貫穿件端板的連接需要配制，其工作效率低。

　　(5)整套閥門(mén)組件的各零部件均采購國外產(chǎn)品，組裝的閥門(mén)組件成本高。

　　針對分析的結果，借鑒已成功使用的一體式閥門(mén)結構，將閥門(mén)、壓力表和三通接口設計于一體，實(shí)現結構緊湊、連接接頭少、抗震性能好、生產(chǎn)效率高及產(chǎn)品成本低的閥門(mén)組件。該組件現已獲國家專(zhuān)利(專(zhuān)利號ZL201220136941.4)。

3、技術(shù)參數

　　閥門(mén)組件安裝在安全殼外，其正常及事故條件下運行的溫度、壓力及輻照劑量均較為緩和。設計溫度-50～200℃；設計壓力1.0MPa；密封性能≤5×10^-9 Pa·m³/s(真空室法，干燥氦氣)；抗震類(lèi)別抗震I類(lèi)。

4、結構設計

　　4.1、總體結構

　　閥門(mén)組件(圖1)主要由截止閥、三通截止閥、壓力表、引壓連接管及連接密封組件構成。閥門(mén)組件安裝在電氣貫穿件筒體組件端板上后，通過(guò)充氣嘴對電氣貫穿件的筒體組件充壓時(shí)，截止閥和三通截止閥處于打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)承壓容器、貫穿通道、壓力表連接通道、充氣嘴形成氣壓通路，實(shí)現對承壓容器的充壓。充壓后，截止閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，三通截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)筒體組件、貫穿通道和壓力表連接通道形成氣壓通路，壓力表可以通過(guò)連接通道對承壓容器進(jìn)行壓力監測。當需要校驗或更換壓力表時(shí)，截止閥關(guān)閉，將電氣貫穿件內的氣體密閉在筒體組件內部。

　　壓力表具有可選的電信號輸出功能，可將壓力表的示值通過(guò)電纜線(xiàn)傳入控制室，對電氣貫穿件內的壓力值實(shí)現實(shí)時(shí)監控。

　　連接法蘭、引壓連接管、閥體及充氣嘴為不可拆卸的一體式結構，通過(guò)精密鑄造、整體鍛件加工或其他能夠形成一體式結構的加工方式完成。主要部件的一體式結構減少了部件之間的連接點(diǎn)，或泄漏點(diǎn)，減少了安裝和密封性能檢測的工作量。

1.三通截止閥 2.截止閥 3.閥瓣 4.閥體 5.壓力表連接用密封組件 6.壓力表 7.壓力表電信號輸出電纜線(xiàn) 8.防塵螺母 9.充氣嘴

圖1 閥門(mén)組件總體結構

　　4.2、密封結構

　　一體式閥門(mén)組件關(guān)鍵的密封結構設計有閥瓣密封、壓力表連接密封及與電氣貫穿件連接的密封。閥瓣是一體式閥門(mén)組件的關(guān)鍵密封部件。由于核電廠(chǎng)安全殼周?chē)�的清潔度低，閥瓣采用適用于環(huán)境的低壓力環(huán)境條件場(chǎng)合的特種工程塑料如聚醚醚酮、聚砜或全氟烷氧基聚合物材料制成的軟密封件。壓力表通過(guò)壓緊螺母壓接密封組件安裝在閥體上，其中密封組件由雙金屬卡套或軟金屬墊片，并結合特定的結構設計形成的具有密封和固定壓力表功能的組件構成。

　　閥門(mén)組件與電氣貫穿件連接的密封組件，采用壓緊O形圈的法蘭式結構，該結構便于閥門(mén)組件的維護檢修，同時(shí)也改善了部件的抗震性能。

　　通過(guò)特殊的密封結構設計，閥門(mén)組件的整體密封性能得到了進(jìn)一步的提高。

　　4.3、結構特點(diǎn)

　　閥門(mén)組件設計時(shí)綜合考慮了加工制造工藝、使用環(huán)境條件和制造成本等要求，實(shí)現了新組件與現有產(chǎn)品相比性能更好。

　　(1)由于筒體、引壓連接管、連接法蘭及充氣嘴部件采用一體式結構形式，并采用法蘭式安裝方式與電氣貫穿件實(shí)現連接和密封，使組件泄漏通道少、密封性能好、結構緊湊及抗震性能好，裝置與電氣貫穿件的安裝簡(jiǎn)單。

　　(2)壓力表與閥體采用可拆卸式安裝方式，并設計有前端截止閥，方便壓力表卸下校驗或更換。

　　(3)在滿(mǎn)足電氣貫穿件使用環(huán)境條件要求的前提下，將截止閥的閥瓣頭部設計成有機特種材料的軟錐頭結構，該結構具有更加優(yōu)異的密封性能。

　　(4)充氣嘴防塵螺母的設置確保該裝置在塵埃較多的環(huán)境下長(cháng)期使用的可靠性。

　　(5)降低了組件制造、安裝、檢修和運行維護等各個(gè)環(huán)節的成本。

5、檢驗

　　5.1、力學(xué)分析

　　采用BLOCK-LANCZOS模態(tài)分析方法，給出了一體式閥門(mén)組件的前3階固有頻率，其值均高于33Hz，可采用等效靜力法計算。在地震載荷OBE、SSE條件下對結構的最大前3處斷面分類(lèi)應力進(jìn)行了計算。同時(shí)計算了組件在自重下的最大前3處斷面分類(lèi)應力。根據RCC-MC3552和C3553的閥門(mén)校核準則的相關(guān)規定，結合表1的載荷組合，計算了閥門(mén)在各個(gè)工況下的最大前3處斷面分類(lèi)應力，結果表明該組件的應力滿(mǎn)足規范要求。

表1 載荷組合及準則級別

　　按照RCC-MC3540的要求，對閥門(mén)壁厚進(jìn)行了檢查。按照閥門(mén)的設計壓力為1.0MPa，工作溫度不大于200℃，計算最小壁厚tm=3.0mm。實(shí)際最小壁厚大于3.0mm，滿(mǎn)足規范要求。

　　5.2、密封性能

　　密封性能指標是電氣貫穿件閥門(mén)組件的關(guān)鍵控制參數之一。該組件密封性能檢測采用真空室法進(jìn)行，通過(guò)附加堵頭模擬閥門(mén)組件的安裝狀態(tài)，外設真空腔室。多次密封性能檢測結果顯示，閥門(mén)組件的泄漏率≤5×10-9Pa·m3/s，能夠滿(mǎn)足設計技術(shù)參數的密封性能要求。

6、結語(yǔ)

　　通過(guò)了力學(xué)分析及密封性能試驗驗證，一體式閥門(mén)組件樣機達到了設計技術(shù)參數的要求，可應用于核電廠(chǎng)電氣貫穿件的壓力監測。