核級電磁動(dòng)截止閥閥瓣導向配對材料特性分析與選擇

　　介紹了核級電磁動(dòng)截止閥用于核反應堆主系統、堆瓣冷卻系統和取樣系統的工作條件及技術(shù)要求。分析了活塞與套筒之間的導向配對、活塞與套筒之間的密封副、閥頭與活塞之間的導向配對材料特性及其密封性能。提出了閥瓣導向配對材料的選擇、確定導向配對間隙等技術(shù)難題的解決辦法。

1、概述

　　核級電磁動(dòng)截止閥( 包括核Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級) 主要用于核反應堆主系統、堆瓣冷卻系統和取樣系統，系統管路中一般為高溫高壓介質(zhì)，電磁動(dòng)截止閥的工作環(huán)境比較特殊，尤其在事故工況條件下，一般為高濕、高熱和高輻射，同時(shí)還伴隨著(zhù)一定的環(huán)境壓力。

　　目前，國內核級高溫高壓電磁動(dòng)截止閥在材料選擇、產(chǎn)品結構及其應用方面，不能保證產(chǎn)品在高溫高壓系統條件的高濕、高熱及高輻射的環(huán)境條件下長(cháng)期連續使用，不能保證高溫高壓條件下閥門(mén)內部件之間的間隙配合以及連續操作條件下的密封性能。通過(guò)對核級電磁動(dòng)截止閥關(guān)鍵部件的設計與研究，掌握閥門(mén)在電磁驅動(dòng)系統、閥瓣導向配對材料、間隙配對以及閥門(mén)密封性能等關(guān)鍵技術(shù)，突破該領(lǐng)域在技術(shù)研發(fā)制造瓶頸，實(shí)現核級電磁動(dòng)截止閥技術(shù)創(chuàng )新和國產(chǎn)化研制。

2、研究?jì)热?/h2>

　　(1) 電磁動(dòng)截止閥電磁鐵瓣結構設計的研究，及相關(guān)樣機制作和試驗驗證。

　　(2) 具有高防護等級、耐輻照的電磁驅動(dòng)系統的研究。

　　(3) 電磁動(dòng)截止閥閥瓣導向配對材料特性的研究及相關(guān)樣機制作和試驗驗證。

　　(4) 冷熱交變對閥門(mén)結構和運行可靠性影響研究。

　　(5) 高溫、高壓狀態(tài)下電磁動(dòng)截止閥的密封性能研究。

3、分析過(guò)程

　　3.1、材料特性分析

　　(1) 力學(xué)性能

　　高溫條件下，材料的力學(xué)性能將發(fā)生明顯變化，主要表現在金屬材料強度的改變及其變形性質(zhì)的變化。一般的金屬材料，在溫度超過(guò)300℃時(shí)，其強度指標明顯下降，塑性指標明顯提高，即硬度減小并且很容易變形。在高溫條件下，受載閥門(mén)零件除發(fā)生彈性變形外，還會(huì )發(fā)生不可回復的蠕變，即使應力低于相應溫度條件下材料的屈服極限，也會(huì )發(fā)生這樣的變形。一般情況下，當溫度不變時(shí)，應力大的蠕變速度大，應力不變時(shí)，溫度高者蠕變速度高，因此對于同一種材料，蠕變速度為應力和溫度的函數。

　　閥門(mén)材料的溫度是由管路系統的參數決定的，材料的選擇又受到介質(zhì)的腐蝕性能等條件限制，所以常遇到的問(wèn)題是如何確定許用應力。在掌握材料蠕變性能的基礎上要選擇一個(gè)應力，使得閥門(mén)在正常使用壽命下，總的蠕變不致于發(fā)生斷裂或不致于因變形妨礙運動(dòng)件相互間的運動(dòng)。在高溫高壓載荷作用下，材料的另一種失效形式是斷裂。材料的持久強度與使用溫度、加力時(shí)間及所受應力的大小有關(guān)。當工作應力小于蠕變權限時(shí)，并不發(fā)生較大的蠕變，但零件在長(cháng)期高溫載荷下卻發(fā)生了斷裂。通過(guò)比較材料的蠕變性能和斷裂性能，選擇其中較低的許用應力。

　　(2) 熱脹量

　　導致熱脹量差別的原因主要有材料的熱脹系數、零件承受熱載荷的差別和零件所處約束條件的差別，應在設計中給予充分的考慮。

　　當熱態(tài)介質(zhì)進(jìn)入冷態(tài)閥門(mén)時(shí)，閥瓣被熱態(tài)流體所包圍，加之其體積較小，能很快地達到系統管路介質(zhì)溫度，因此閥瓣快速向外膨脹。而閥體及與閥體接觸的套筒卻受熱較慢，其壁厚較大，膨脹速度較慢并向內膨脹。因此高溫閥門(mén)零件間的工作間隙應適當增大，這樣在實(shí)際工作溫度下，防止擦傷和卡塞。間隙的增加量由材料的線(xiàn)脹系數、使用溫度和應力等條件決定。

　　高溫閥門(mén)一般都為剛性密封，當熱態(tài)介質(zhì)進(jìn)入冷態(tài)閥門(mén)時(shí)，閥瓣會(huì )很快受熱，并在載荷作用下發(fā)生變形。閥座雖然幾乎與閥瓣同時(shí)加熱，但由于其散熱條件較閥瓣好，以及閥體的線(xiàn)脹量常常小于閥座的徑向膨脹，一方面膨脹較慢，另一方面由于閥體形腔內不規則幾何形狀，導致其變形也不規則。閥瓣和閥座的膨脹和變形情況可能導致閥門(mén)泄漏。

　　(3) 熱交變

　　介質(zhì)的熱交變對閥門(mén)主要有2 個(gè)方面的影響。一是導致過(guò)盈配合及螺紋連接零件之間松動(dòng)，導致密封失效。另一方面是導致與介質(zhì)接觸或接近的閥門(mén)零件受到交變應力的作用，加劇閥門(mén)零件的疲勞老化。在設計中可考慮用密封焊和點(diǎn)焊的方式解決松動(dòng)問(wèn)題，熱交變工況下的密封結構采用彈性密封副，即保證密封效果，又保證長(cháng)壽命。

　　(4) 擦傷

　　擦傷一般與材料的配對、溫度、表面粗糙度、硬度、載荷等因素有關(guān)。引起擦傷的原因很多，管路系統中存在的硬粒子會(huì )導致閥座和閥瓣表面擦傷，振動(dòng)和沖擊也會(huì )導致擦傷。為了防止擦傷，設計中應注意密封副材料的選配和硬度的匹配，一般導向滑動(dòng)面之間及兩密封面之間均應保持5 ～10HRC 的硬度差。

　　(5) 閥瓣導向配對材料

　　適用于高溫高壓閥門(mén)的導向配對材料一般在表1 中選擇。

表1 常用的導向配對材料

　　根據研究和分析的結果，結合多年高溫高壓電磁閥的設計和使用經(jīng)驗，確定選擇司太立- 司太立作為產(chǎn)品的導向配對材料。包括活塞與套筒之間的導向配對、活塞與套筒之間的密封副、閥頭與活塞之間的導向配對及閥頭與活塞之間的密封副。

　　3.2、閥瓣導向配對結構設計

　　(1) 總體結構

　　電磁動(dòng)截止閥的總體結構采用電磁驅動(dòng)分步直動(dòng)式結構(也稱(chēng)強制先導式) ，結構緊湊，體積小，質(zhì)量輕，動(dòng)作靈活可靠，響應時(shí)間快，并能真實(shí)準確實(shí)現閥位信號的輸出。與閥瓣導向配對有關(guān)的結構主要由閥體、套筒、活塞、閥頭、活塞環(huán)、套筒密封墊、中法蘭密封墊、閥桿和彈簧組成( 圖1) 。電磁動(dòng)截止閥與系統的連接方式為對接焊形式，端部及尺寸符合ASME B16.25-2003 標準的規定。

　　(2) 密封結構

　�、匍y套組件與閥體之間的密封( 中法蘭密封)閥套組件與閥體連接處是產(chǎn)品的外漏點(diǎn)，對保證電磁閥的可靠性和安全性非常重要。在考慮產(chǎn)品高溫高壓特性基礎上，結合以往類(lèi)似產(chǎn)品的經(jīng)驗，中法蘭密封處采用不銹鋼石墨纏繞墊及密封焊形式的雙重密封結構。中法蘭處采用高強度、耐輻射、密封性能良好的不銹鋼石墨纏繞墊片。電磁動(dòng)截止閥所有試驗結束后，對中法蘭處實(shí)施密封焊，形成中法蘭密封的雙保險結構。雙重密封結構確保電磁閥在規定工作介質(zhì)條件下，無(wú)任何外漏。密封焊部位能滿(mǎn)足至少3 次維修的使用。

圖1 主閥結構

　�、谔淄才c閥體之間的密封套筒與閥體之間的密封是該產(chǎn)品的一個(gè)重要密封處，該處一旦泄漏，將造成閥門(mén)內漏。此處密封采用不銹鋼石墨纏繞墊片，通過(guò)合理的壓縮量及正確的預緊力，可保證閥門(mén)在溫度360℃，壓力17.5MPa 條件下無(wú)任何泄漏，可以滿(mǎn)足本產(chǎn)品的要求。

　�、坶y座密封閥座密封涉及到先導閥座密封副和主閥閥座密封副，均采用不銹鋼表面堆焊司太立硬質(zhì)合金的結構，具有自動(dòng)補償功能，可確保整個(gè)壓差范圍和溫度范圍內的可靠密封。

　　(3) 維修性

　　為了提高產(chǎn)品的可維修性，主要從以下2 個(gè)方面予以充分的考慮。

　�、僭跐M(mǎn)足標準規定并充分考慮裕量的前提下，盡量將電磁動(dòng)截止閥的體積縮小，保證體積小，質(zhì)量輕。

　�、谠陂y門(mén)內部結構方面，采用組合式閥瓣結構和閥座與閥體分離技術(shù)。組合式閥瓣結構可實(shí)現對電磁閥瓣部件進(jìn)行快速更換，閥座與閥體分離技術(shù)克服了傳統閥門(mén)閥座在閥體上無(wú)法更換的缺點(diǎn)，節省了維修時(shí)間，提高了閥門(mén)的可維修性。

　　(4) 耐壓性

　　閥門(mén)的承壓件設計滿(mǎn)足ASME B 16.34 規定的最小壁厚要求并充分考慮了60 年的腐蝕裕量。

　　(5) 閥門(mén)所承受的工作介質(zhì)種類(lèi)

　　由于電磁閥采用分步直動(dòng)式結構設計，中法蘭密封采用不銹鋼石墨纏繞墊及密封焊雙重密封結構，無(wú)任何外漏。內部結構采用不銹鋼加工，所以電磁動(dòng)截止閥可適應冷水、熱水、各類(lèi)壓縮氣體、蒸汽及油等多種工作介質(zhì)。

　　(6) 壽命設計

　�、匍y體的強度及耐腐蝕性要求電磁閥的閥體采用整體鍛造不銹鋼(SA182 F304L) 機加工而成，承受壓力高，耐腐蝕性強，外形美觀(guān)實(shí)用，易清潔。閥體設計最小壁厚滿(mǎn)足ASME B16. 34 的要求，并預留足夠的腐蝕余量，保證了閥體的60 年使用壽命的需要。

　�、趦炔考�選材精良，可滿(mǎn)足產(chǎn)品長(cháng)壽命需要電磁閥內部金屬件全部采用不銹鋼制成，其中主閥內活塞、閥頭、閥桿采用奧氏體不銹鋼加工�；钊�密封面、閥頭密封面堆焊司太立硬質(zhì)合金，可提高密封部件的使用壽命。導磁外殼、動(dòng)鐵瓣和靜鐵瓣采用精密軟磁不銹鋼加工，可提高產(chǎn)品的耐腐蝕性和導磁性能。其余金屬件，包括緊固件和彈簧等全部采用不銹鋼加工，提高閥門(mén)的整體耐腐蝕性，滿(mǎn)足閥門(mén)長(cháng)壽命的需要。

　�、鄢墒煜冗M(jìn)的工藝，為產(chǎn)品的長(cháng)久可靠運行提供了保證電磁閥中法蘭采用不銹鋼石墨纏繞墊片密封，并采用熔合焊接的密封焊技術(shù)處理，杜絕了閥門(mén)出現泄漏的現象。閥桿表面采用冷滾壓工藝，可大幅提升閥桿的使用壽命。非磁管組件采用無(wú)磁不銹鋼與精密軟磁不銹鋼自熔焊接結構形式，可滿(mǎn)足強度和耐動(dòng)鐵心沖擊的要求。

　�、芰悴考�加工精度高，通用性和互換性強電磁閥所有滑動(dòng)部位表面設計粗糙度達到0. 8μm 以上，其他部位零部件外表面粗糙度達到1. 6μm 以上。未注尺寸公差達到GB/T 1804 - f 級以上。所有未注形位公差達到GB/T 1184 - K 級以上。良好的配合間隙將有助于滑動(dòng)部件使用壽命的增長(cháng)。

　�、萏淄彩介L(cháng)壽命結構主閥采用套筒式結構，套筒的加入使閥座與閥體分離，在提高密封性的同時(shí)，又可解決因長(cháng)期動(dòng)作使閥座磨蝕損傷無(wú)法修復，必須更換閥體的致命缺陷，可保護系統管路的完整性和安全性，確保產(chǎn)品60 年使用壽命的實(shí)現。

　�、揲L(cháng)壽命密封副結構電磁閥設計循環(huán)壽命大于30 000 次。在設計上通過(guò)采用高品質(zhì)的金屬材料，剛性具補償功能的動(dòng)密封副，易損傷部位的硬質(zhì)合金堆焊，高強度、耐老化的密封材料，成熟先進(jìn)的特殊工藝，可確保電磁閥滿(mǎn)足技術(shù)規格書(shū)要求的循環(huán)壽命大于30 000 次的指標。

4、結語(yǔ)

　　通過(guò)開(kāi)展電磁動(dòng)截止閥閥瓣導向配對材料特性的研究及相關(guān)樣機制作、試驗驗證4 個(gè)方面的工作內容，采取理論計算、對比分析、試驗驗證等方式有效解決了閥瓣導向配對材料的選擇、導向配對間隙等技術(shù)難題。研制的電磁動(dòng)截止閥驗證件順利的通過(guò)了抗震分析、疲勞分析，同時(shí)也通過(guò)了水壓強度試驗、冷態(tài)負載動(dòng)作試驗、熱態(tài)負載動(dòng)作試驗、機械磨損老化試驗四項驗證試驗的考核，該研究成果為國產(chǎn)核級電磁動(dòng)截止閥研制奠定了堅實(shí)的基礎。