核級氣動(dòng)隔膜閥研制

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

1、概述

　　核級氣動(dòng)隔膜閥是百萬(wàn)千瓦級壓水堆核電站中重要的裝置之一，屬于安全二級的部件。目前，國內核電站機組用的核級氣動(dòng)隔膜閥，完全依賴(lài)進(jìn)口，是尚未實(shí)現國產(chǎn)化的閥門(mén)。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為研制開(kāi)發(fā)出性能可靠，滿(mǎn)足工況要求的核級氣動(dòng)隔膜閥，對于我國自主發(fā)展核電事業(yè)，提高核電站國產(chǎn)化率，提升我國閥門(mén)的設計和制造水平，具有積極的意義。

2、技術(shù)參數

　　設備名稱(chēng)核二級氣動(dòng)隔膜閥，型號規格H2G6B66W-150LbDN80。RIN碼MINFSJ-F-G；RCC-P2級；RCC-M2級；公稱(chēng)壓力2.0MPa(150Lb)；設計壓力1.1MPa；設計溫度120℃；工作壓力≤1.1MPa；工作溫度≤120℃；質(zhì)保等級Q1；抗震類(lèi)別1A；行程時(shí)間20s；流量系數L/D≤135；動(dòng)作壽命次數2000；2000次動(dòng)作后密封面泄漏率0；氣源壓力0.4～0.95MPa；閥門(mén)適用系統設備冷卻水系統、疏排水系統等；典型介質(zhì)反應堆冷卻劑；主體材料RCC-MM3402Z3CN20-09M；隔膜材料EPDM。

3、結構設計

　　3.1、閥體

　　氣動(dòng)隔膜閥(圖1)閥體流道采用直通式縮頸結構，在滿(mǎn)足閥門(mén)流通能力要求的前提下，可以縮短閥門(mén)的行程。從而減小隔膜的曲撓變形和變形產(chǎn)生的應力，延長(cháng)隔膜的使用壽命。密封面采用球面密封，由于流道設計為縮頸結構，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，結合牢固均勻，不會(huì )產(chǎn)生脫殼現象，且尺寸、形狀精度高。隔膜形狀設計成雙重功能結構，即隔膜的下部設計為半球體狀，其功能是作為閥門(mén)的關(guān)閉件實(shí)現管路介質(zhì)的接通或截斷。隔膜的上部為盆狀，其功能是作為中法蘭墊片及閥體流道與閥蓋之間隔離的作用，并承受著(zhù)閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中的介質(zhì)作用力和曲撓應力。由于盆狀部分弧面設計較為平坦，彎曲程度較小，隔膜的使用壽命長(cháng)。

圖1 核級氣動(dòng)隔膜閥

　　3.3、氣動(dòng)執行機構

　　氣動(dòng)執行機構采用薄膜式執行機構，操作薄膜與缸體沒(méi)有相對摩擦，不會(huì )磨損，無(wú)內外泄漏，使用壽命長(cháng)(圖2)。采用單作用彈簧復位設計，碟形彈簧采用對合的組合方式，來(lái)獲得所需的設計載荷(閥門(mén)關(guān)閉力)，彈簧的數量由閥門(mén)的行程、單個(gè)彈簧的變形量設計確定。采用碟形彈簧替代圓柱螺旋彈簧可縮小執行機構的體積和質(zhì)量，減少了閥門(mén)外伸結構的高度，從而降低了重心位置，提高了閥門(mén)的抗震能力。殼體和下殼體的法蘭邊緣設計制造成翻邊形狀，提高了殼體的剛度，防止因法蘭變形而產(chǎn)生泄漏。氣動(dòng)執行機構設有手動(dòng)鎖定裝置，能使閥門(mén)鎖定在開(kāi)或關(guān)的位置，確保閥門(mén)安全運行(圖3)。

4、設計計算

　　在開(kāi)發(fā)核二級手動(dòng)/氣動(dòng)直通式隔膜閥過(guò)程中，對閥門(mén)本體和氣動(dòng)執行機構進(jìn)行了分析計算。計算時(shí)根據閥門(mén)的結構，進(jìn)行了最大操作軸向力計算，校核隔膜和操作薄膜的強度。在氣動(dòng)執行機構的設計計算中，分別對機構的主要零部件進(jìn)行了計算，通過(guò)計算確定了碟形彈簧的厚度、數量、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等主要參數。在操作薄膜的計算中，根據氣動(dòng)執行機構輸出軸向力，一般取閥門(mén)最大操作軸向力的1.3～1.5倍確定操作薄膜的參數和尺寸，保證氣動(dòng)執行機構的可靠傳動(dòng)。通過(guò)對樣機產(chǎn)品的鑒定試驗驗證，證明了所選參數的合理性。

1.氣動(dòng)頭下殼體 2.隔膜板 3.驅動(dòng)機構隔膜 4.上隔膜板 5.氣動(dòng)頭上殼體 6.碟形彈簧

圖2 氣動(dòng)執行機構

1.手動(dòng)鎖定桿 2.游標 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構設計有關(guān)，更與橡膠材料的機械性能有關(guān)。橡膠機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(guò)多次試驗，確定了滿(mǎn)足核級隔膜閥要求的橡膠配方、硫化工藝和性能指標，其橡膠性能指標達到ASTMD412的要求。氣動(dòng)執行機構的氣缸和氣缸蓋采用了具有較高強度的鍋爐用鋼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度。

6、型式試驗

　　按照相關(guān)要求，編制了鑒定試驗程序，規定了需要進(jìn)行的型式試驗項目及試驗順序。鑒定試驗程序包括試驗前檢驗大綱、隔膜材料耐輻照試驗大綱、氣動(dòng)執行機構壽命試驗大綱、冷態(tài)循環(huán)試驗大綱、熱態(tài)循環(huán)試驗大綱、壽命試驗大綱、熱沖擊試驗大綱、流體阻斷試驗大綱、中間檢驗大綱、振動(dòng)探測試驗大綱、振動(dòng)老化試驗大綱、地震試驗大綱、端部加載試驗大綱、流量系數試驗大綱和試驗后檢驗大綱等。

　　6.1、試驗前檢驗

　　試驗前檢驗是為確保試驗閥門(mén)組件的合適程度和建立閥門(mén)組件性能的基礎數據(表1)，并在完成試驗程序后將這些基準數據與試驗后檢查數據相比較，而進(jìn)行了試驗前檢查。

表1 基礎數據

7、分析

　　試驗后將試驗數據與試驗前檢驗數據相比較，以確定鑒定試驗對閥門(mén)功能的影響。試驗中閥門(mén)密封性能滿(mǎn)足要求，未發(fā)現介質(zhì)泄漏現象，壓力邊界保持完好。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。

8、結語(yǔ)

　　分析核級氣動(dòng)隔膜閥的各項性能試驗和鑒定試驗的結果，充分驗證了樣機的設計和制造滿(mǎn)足RCC-M的要求和規定，能夠滿(mǎn)足百萬(wàn)千瓦級壓水堆核電站的工況要求，并通過(guò)產(chǎn)品鑒定。