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核一級穩壓器電動卸壓閥的研制

概述
    核一級穩壓器電動卸壓閥(以下簡稱卸壓閥) 設置在穩壓器上部,與穩壓器安全閥一起實施壓水堆核電廠反應堆冷卻系統(RCS)的超壓保護并限制RCS的壓力。在二回路失去熱阱時,利用安注泵和電動卸壓閥實施一回路Fleed—bleed的運行模式,導出反應堆的衰變熱。在堆芯熔化的嚴重事故中,利用電動卸壓閥動作實施快速降壓,以防高壓熔堆。因此要求卸壓閥有極高的穩定性和可靠性,在各種工況下都能正常工作,并且對泄漏率也有很高要求。
性能與結構
    性能
    卸壓閥的性能及參數如下。
    閥門型號50CHlL963Y一420P
    公稱通徑DNS0
    公稱壓力42MPa
    安全等級l級
    抗震要求SSE
    質保要求QAl
    設計溫度4000c
    設計壓力  l7.16MPa
    全行程時間≤los
    工作介質帶放射性的飽和蒸汽     流量系數35
結構
    電動卸壓閥整體結構采用截止閥(圖1)。閥門內部采用套筒式結構,閥座由套筒壓住。該閥拆卸方便,不需要專用工具,可大大縮短檢修時間。同時可取消閥座和閥體的螺紋,避免了螺紋損壞,延長了閥體的使用壽命。閥體和閥座采用較大的配合間隙,保證在溫度劇烈變化時亦不會卡住。檢修時只需拆卸中法蘭的螺母,即可將閥門內部零件全部取出。
    卸壓閥密封面堆焊硬質合金,并采用了加寬設計,保證了閥座和閥瓣有較高的強度,減小外力作用后的變形,提高了密封的可靠性。閥瓣和閥桿采用螺紋連接,避免了銷連接或鋼珠連接可能引起的閥瓣脫落事故。螺紋連接使用了精確設計的防轉銷,不需要在裝配過程中配作安裝孔,提高了零件的互換性,只需簡單工序即可完成閥瓣的更換。而且不會損傷閥桿和閥瓣的連接螺紋,確保可以進行多次的檢修。防轉銷兩端點焊固定,安全可靠,打磨掉焊點就可拆卸。閥桿頭部設有防轉凹槽,與防轉銷之間有合理間隙,保證閥瓣和閥桿可以有微量的相對運動,補償加工和裝配過程的累積誤差,保證了密封。最重要的是此間隙不需要在裝配時由經驗確定,是設計、加工時就存在的。閥瓣的導向面堆焊硬質合金,同時適當增大了配合間隙,避免閥門在運行時卡住。閥座墊片和中法蘭墊片使用夾不銹鋼柔性石墨纏繞式墊片,墊片的內、外側都有止口,可以防止墊片被壓散。為防止墊片過度壓縮,閥座上設計了止推臺階。套筒上部開有兩個孔,既是工作時的平衡孔,又是安裝、拆卸時的吊裝孔。
卸壓閥

    閥體和閥蓋采用鍛件。閥蓋和支架為整體式結構,取消了閥蓋和支架之間的法蘭連接。在有效提高閥門整體強度的同時降低了閥門高度,并提升了閥門的自然頻率。而且填料函的位置明顯下降,便于將引漏管安裝在中法蘭的側面,有效解決了中法蘭螺母扳手空間和引漏管干涉的問題。另外,由于沒有閥蓋和支架連接法蘭的阻擋,中法蘭螺母的操作空間顯著加大,使用較大體積的液力扳手不會受到阻擋,使螺母擰緊更加可靠。但整體式的閥蓋使安裝填料壓板、指針和防轉機構的空間減小,需全部安裝于閥蓋中部使用線切割產生的方孔中。通過使用分體式指針和滑鍵防轉結構有效解決了這一問題。閥體采用常用結構,但尺寸經過細致計算,在兼顧工藝性的同時將高度減到最低,降低了重心。
    閥體和閥蓋采用帶纏繞式墊片密封的螺栓法蘭連接。中法蘭處預留了一道唇邊焊,防止由于操作壓力或溫度波動,裝置啟停時的冷熱變換等因素導致法蘭連接處出現不緊密的現象,在重新上緊緊固件無效的情況下進行密封焊起止漏作用。
    閥蓋與閥桿動密封采用雙層填料。考慮到閥桿在快速關閉和開啟過程中可能會破壞填料密封性能并產生泄漏,采取了3項措施。一是通過計算填料的預緊力矩,裝配時對填料按圈進行預緊,使其達到最佳的壓縮量,保持良好的變形狀態,防止底層填料因壓力不夠而失去作用。二是在填料螺母下增加一個蝶簧組件,形成一個填料防松弛結構,以保持填料上的壓力不變,避免了在閥門運行過程中需經常定期擰緊螺母的情況。三是在填料函處設有中間引漏裝置,這樣可引出泄漏介質避免發生放射性介質污染事故。
計算
    按ASME BPVC—IIl的條款對閥體、閥座、閥蓋、閥瓣、閥桿和中法蘭等進行應力計算及自振頻率計算,在確定閥門的自振頻率大于33Hz后,以等效靜力法按設計應力+自重+動載荷(SSE)+閥門驅動力的載荷組合對閥門的危險斷面進行抗震分析。根據閥門的壓力和溫度瞬態工況進行疲勞分析。根據閥門的工況參數,進行了E值的計算。
試驗
    為確保試驗閥門組件合格,建立閥門組件性能基準數據,(在完成試驗程序后將基準數據與試驗后檢查數據相比較),閥門進行了試驗前檢驗,試驗中密封性能滿足要求,未發現介質泄漏現象,壓力邊界保持完好。其行程時間的試驗結果如表。

試驗壓力 電裝電壓 關閉時間 開始時間
Mpa V S S
31.9 380 9.02 8.67
31.9 342 9.06 8.74

冷熱循環與交變試驗
    為驗證閥門在冷態下的性能,進行了冷循環試驗。為驗證閥門在高溫和冷熱交變工況時,管線系統中壓力不利的組合下開啟和關閉的能力,在高溫高壓試驗回路上進行了熱循環試驗。試驗過程中閥門電裝力矩、中法蘭螺栓預緊力矩、填料螺栓預緊力矩均無調整變動,填料沒有增減和更換,設備各部均完好,回路壓力和溫度保持正常,閥門啟閉功能良好,運行平穩,全行程時間與試驗前相比無明顯變化,滿足規范要求。閥門在模擬工況下循環操 作5 000次,其動作性能仍能保持正常。
熱影響及排放試驗
    通過對卸壓閥進行熱影響試驗證明,閥門通過熱沖擊后,突發的熱流體不會對閥門造成損壞。通過對卸壓閥進行全壓差和階越性壓差下的動作性能試驗和飽和蒸汽排量試驗,驗證閥門的可靠性。試驗中電動卸壓閥在蒸汽通過時,瞬變溫度大于260℃/los。開啟閥門蒸汽流動15s后,電動卸壓閥在附加的15s內正常關閉。壓差階越試驗從15.2MPa到1.82MPa,按l.82MPa壓差遞減,在每個遞減的壓差階越,閥門進行完整的、且為全壓差下的啟閉循環試驗。電動卸壓閥完成了溫度瞬變的熱影響試驗,閥門運行正常、開啟和關閉時間穩定。
    飽和蒸汽流下的全壓差性能動作試驗,閥門啟閉時間條件滿足要求。壓差階越性能動作試驗,閥門啟閉條件滿足要求。閥門在15.2MPa飽和蒸汽壓差下和在l5.2一1.82MPa之間按1.82MPa壓差階越下進行的動作性能試驗,通過計時器測得閥門最大開啟時間為8.84s,最小開啟時間為8.60s, 最大關閉時間為9.14s,最小關閉時間為8.53s。閥門的開啟時間和關閉時間均變化較小,閥門流道面積l0%時的飽和蒸汽總平均排量經試驗為7 136k9/h。試驗中流體阻斷性能和密封性能滿足要求。
    由于卸壓閥實測自振頻率為43.75Hz,為剛性閥門,因此通過地震靜載荷試驗驗證了閥門在地震載荷下的可操作性。
    排放管和反作用載荷試驗的目的是為了驗證閥門受到所有管端(包括排放管)反作用載荷力,連同包括壓力和自重在內的正常工作載荷作用時閥門的可操作性。
試驗分析
    各項試驗中,閥門的密封性能滿足產品設計要求,未發現介質泄漏現象,壓力邊界保持完好。拆散檢驗表明,閥門零部件沒有明顯損傷的痕跡,所測尺寸與試驗前檢驗相比無明顯變化。其行程時問的試驗結果如表2。

試驗壓力 電裝電壓 關閉時間 開始時間
Mpa V S S
31.9 380 9.03 8.68
31.9 342 9.11 8.75

結語
    核一級穩壓器電動卸壓閥的出廠試驗、試驗前檢驗、各項型式試驗、試驗后分析及各項型式試驗后進行的中間檢驗的各項性能測試指標(如蒸汽流量、密封性能、壓力邊界完整性、行程時間) 均符合設計任務書、ASME BPVC—lIl和ASME QME—l的要求,所有型式試驗完成后進行的拆散檢驗表明閥門零部件沒有明顯損傷的痕跡,所測尺寸與試驗前檢驗相比無明顯變化。整個試驗系列中未發現介質泄漏現象,壓力邊界保持完好。開啟和關閉時間穩定,閥門的自振頻率滿足要求。

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