核一级升降式止回阀的设计与开发

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国核电工程有限公司 作者:易全伟

一、项目概况

  随着国民经济持续快速增长,为解决电力的“瓶颈”问题,国家发改委明确核电远景规划,到2020年中国核电装机容量将达到7000万~8000万kW。这意味着今后国家要建设一批百万千瓦级核电站,提高核电发电量。

  鉴于普通核电站阀门已部分国产化,但高要求的核一级阀门,技术要求严,安全系数高,是发达国家对我国技术封锁或以昂贵价格赚取高额利润的产品。因而,要缓解核电投资过大矛盾的唯一出路就是尽快实现核电站关键阀门的自主设计、制造、安装和调试,实现国产化。

  面对如此形势,中核苏阀科技实业股份有限公司成立了秦山二期扩建项目样机攻关小组,通过借鉴国外经验,进行自主开发、技术攻关。样机研制成功将填补我国在这一领域的空白,改变长期依赖进口的局面,为国家的核电建设作出贡献。

  1.项目立项

  核工业第二研究设计院根据秦山二期扩建的要求,需对CH1-2″P16WR22R-K(YJ)进行样机制造,并进行一系列型式试验。

  2.任务书的下达

  核工业第二研究设计院下达了“压水堆核电站升降式止回阀研制任务书”,文件编号:PLDSF200705。

  3.阀门的功能

  本任务书研制的阀门为百万千瓦级核电站安全注入系统使用的阀门,系统代号为RIS040VP。该阀门为核安全Ⅰ级,规范Ⅰ级,抗震类别为1A,质保等级Q1,阀体材料为不锈钢,公称直径DN50mm,最高工作压力为17.13MPa,最高工作温度为343℃。阀门工作介质为反应堆冷却剂(含硼水)。该阀门安装于安全壳内侧,阀体要求采用锻件。

  为增加该类阀门的通用性,增加该阀门具有安全壳隔离功能。

  类似结构的阀门还可用于安全壳喷淋系统、安全注入系统、余热导出、化学容积控制系统以及设备冷却水等系统。

  4.阀门的主要技术参数

  阀门名称:核一级升降式止回阀。

  阀门型号:CH1-2″P16WR22R-K(YJ)

  公称通径:DN50

  公称压力:1690lb(1lb=0.454kg)

  安全等级:Ⅰ级

  抗震要求:1A

  工作温度:343℃

  工作压力:17.13MPa

  工作介质:反应堆冷却剂

  主体材料:M3301/Z2CND18-12N.S

  密封面材料:STL6/STL6

  使用寿命:40年

  安装位置:安全壳内

  5.设计标准

  1)PLDSF200705压水堆核电站升降式止回阀研制任务书。

  2)ASMEQME-1核电厂能动机械设备的鉴定。

  3)RCC-M《压力堆核岛机械设备设计和制造规则》2000版+2002补遗。

  4)ASMEB16.10阀门结构长度。

  5)IEEE382核电厂中具有安全相关功能的动力操作阀组件执行机构的鉴定。

  6)HAF003核电厂质量保证安全规定。

二、研制过程

  为了尽快完成样机的研制,中核苏阀成立了由总工程师直接领导下的研制项目组,由技术研发中心、核阀分厂、焊热分厂、锻造分厂、铸造分厂、制造部、质量管理部以及采购部等单位技术精英和管理人员组成,采取项目负责制,运用公司最好的人力和物力资源进行此次样机的研制。

  1.密封结构设计

  阀体和阀盖采用带缠绕式垫片密封的螺栓法兰联接,装拆简单方便,有足够的可靠性。

  (1)阀瓣堆焊长度在考虑节省成本和优化设计的前提下,堆焊长度改进如图1所示。

  此改进优点有3个:

阀瓣堆焊

图1 阀瓣堆焊

  1)在满足导向的条件下,减小了摩擦力,更利于开启。

  2)有足够的空间利于泄压。

  3)节约成本。

  (2)密封面处密封形式由面密封改为线密封,如图2所示。

密封形式

图2 密封形式

  因为用球面对锥面的面密封明显不能达到密封要求,因此改用铰孔使之配成线密封,这样便能满足密封要求。

  (3)密封面材料阀门设计时在阀体和阀瓣密封面处堆焊的是STL6,两处虽然材料是相同的,但它们之间存在着硬度差,使它们具有优良的耐磨、抗擦伤性能,使用稳定性好,并且防止咬死情况的出现。而且这些优点已在中核苏阀其他核电阀门设计中得到证实。

  (4)主体毛坯选择阀门主体毛坯采用了锻件,并严格按照Q/DJ100.4R进行超声波探伤和液体渗透探伤。

  (5)应力计算和抗震分析按RCC-M要求对阀体、阀瓣、阀盖等进行了详细的应力计算,并进行了自振频率的计算,确定阀门的自振频率大于33Hz后以等效静力法按设计压力+自重+动载荷(SSE)+阀门驱动力的载荷组合对阀门的危险断面进行抗震分析。其中阀门自振频率的计算值为3169.4Hz。

  2.工艺设计

  (1)主体毛坯的质量控制本阀门的所有零件均为锻件,锻造时严格按照锻造工艺规程和工序卡进行,严格控制始锻温度、终锻温度、变形程度和变形速度,按工艺规程规定的冷却方法进行冷却。对锻成品进行化学成分分析、力学性能试验、晶间腐蚀试验、金相组织分析,经分析、试验和测定,均符合相应标准。

  锻件的质量通过超声波检验和液体渗透检验来保证,按照RCC-M要求对锻件进行100%的超声波探伤并评定,并对锻件的全部表面进行液体渗透检验和评定。

  (2)焊接为了提高堆焊质量,对阀瓣和阀座的密封面堆焊采用了等离子氩弧焊工艺。同时,为确保焊接质量,对生产中所用焊接工艺重新进行了工艺评定。

  (3)装配试验优质产品不仅需要高精度的零部件,更关键的是如何将这些高精度的零部件组装成高性能的产品。中核苏阀组织了一支经验丰富、技术过硬的、由多名技师和高级技工组成的装配、调试小组,负责阀门的装配、调试、试验,制订了零部件的清洗工艺、装配工艺,在装配和调试中严格把关,精益求精,确保阀门的装配、调试成功,并进行了各类性能试验,各项指标均符合设计任务书的要求。

  (4)过程检验 对阀门编制了质量计划,以确保阀门从原材料、毛坯投入、机加工、焊接、热处理、无损检测、清洗、装配、出厂试验以及各项型式试验均得到质量控制,并得到核工业第二研究设计院认可和现场见证。

三、型式试验

  编制了试验程序,规定了需进行的型式试验的项目以及试验顺序,编制了相关的型式试验大纲,清单如下:

  1)试验前检验大纲。

  2)冷循环试验大纲。

  3)热态功能和热冲击试验。

  4)中间检验大纲。

  5)端部加载试验大纲。

  6)流量系数值测试。

  7)试验后检验大纲。

四、结语

  核一级升降式止回阀的出厂试验、试验前检验、各项型式试验、试验后检验及各项型式试验后所进行的中间检验的各项性能测试指标(如密封性能)均符合设计任务书、规范书、RCC-M和ASMEQME-1的要求,所有型式试验完成后进行的拆散检验表明阀门零部件没有明显损伤的痕迹,所测尺寸与试验前检验相比无明显变化。

参考文献

  [1]杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992.

  [2]机械设计手册编写组.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1989.

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