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核一级稳压器电动卸压阀的研制

概述
    核一级稳压器电动卸压阀(以下简称卸压阀) 设置在稳压器上部,与稳压器安全阀一起实施压水堆核电厂反应堆冷却系统(RCS)的超压保护并限制RCS的压力。在二回路失去热阱时,利用安注泵和电动卸压阀实施一回路Fleed—bleed的运行模式,导出反应堆的衰变热。在堆芯熔化的严重事故中,利用电动卸压阀动作实施快速降压,以防高压熔堆。因此要求卸压阀有极高的稳定性和可靠性,在各种工况下都能正常工作,并且对泄漏率也有很高要求。
性能与结构
    性能
    卸压阀的性能及参数如下。
    阀门型号50CHlL963Y一420P
    公称通径DNS0
    公称压力42MPa
    安全等级l级
    抗震要求SSE
    质保要求QAl
    设计温度4000c
    设计压力  l7.16MPa
    全行程时间≤los
    工作介质带放射性的饱和蒸汽     流量系数35
结构
    电动卸压阀整体结构采用截止阀(图1)。阀门内部采用套筒式结构,阀座由套筒压住。该阀拆卸方便,不需要专用工具,可大大缩短检修时间。同时可取消阀座和阀体的螺纹,避免了螺纹损坏,延长了阀体的使用寿命。阀体和阀座采用较大的配合间隙,保证在温度剧烈变化时亦不会卡住。检修时只需拆卸中法兰的螺母,即可将阀门内部零件全部取出。
    卸压阀密封面堆焊硬质合金,并采用了加宽设计,保证了阀座和阀瓣有较高的强度,减小外力作用后的变形,提高了密封的可靠性。阀瓣和阀杆采用螺纹连接,避免了销连接或钢珠连接可能引起的阀瓣脱落事故。螺纹连接使用了精确设计的防转销,不需要在装配过程中配作安装孔,提高了零件的互换性,只需简单工序即可完成阀瓣的更换。而且不会损伤阀杆和阀瓣的连接螺纹,确保可以进行多次的检修。防转销两端点焊固定,安全可靠,打磨掉焊点就可拆卸。阀杆头部设有防转凹槽,与防转销之间有合理间隙,保证阀瓣和阀杆可以有微量的相对运动,补偿加工和装配过程的累积误差,保证了密封。最重要的是此间隙不需要在装配时由经验确定,是设计、加工时就存在的。阀瓣的导向面堆焊硬质合金,同时适当增大了配合间隙,避免阀门在运行时卡住。阀座垫片和中法兰垫片使用夹不锈钢柔性石墨缠绕式垫片,垫片的内、外侧都有止口,可以防止垫片被压散。为防止垫片过度压缩,阀座上设计了止推台阶。套筒上部开有两个孔,既是工作时的平衡孔,又是安装、拆卸时的吊装孔。
卸压阀

    阀体和阀盖采用锻件。阀盖和支架为整体式结构,取消了阀盖和支架之间的法兰连接。在有效提高阀门整体强度的同时降低了阀门高度,并提升了阀门的自然频率。而且填料函的位置明显下降,便于将引漏管安装在中法兰的侧面,有效解决了中法兰螺母扳手空间和引漏管干涉的问题。另外,由于没有阀盖和支架连接法兰的阻挡,中法兰螺母的操作空间显著加大,使用较大体积的液力扳手不会受到阻挡,使螺母拧紧更加可靠。但整体式的阀盖使安装填料压板、指针和防转机构的空间减小,需全部安装于阀盖中部使用线切割产生的方孔中。通过使用分体式指针和滑键防转结构有效解决了这一问题。阀体采用常用结构,但尺寸经过细致计算,在兼顾工艺性的同时将高度减到最低,降低了重心。
    阀体和阀盖采用带缠绕式垫片密封的螺栓法兰连接。中法兰处预留了一道唇边焊,防止由于操作压力或温度波动,装置启停时的冷热变换等因素导致法兰连接处出现不紧密的现象,在重新上紧紧固件无效的情况下进行密封焊起止漏作用。
    阀盖与阀杆动密封采用双层填料。考虑到阀杆在快速关闭和开启过程中可能会破坏填料密封性能并产生泄漏,采取了3项措施。一是通过计算填料的预紧力矩,装配时对填料按圈进行预紧,使其达到最佳的压缩量,保持良好的变形状态,防止底层填料因压力不够而失去作用。二是在填料螺母下增加一个蝶簧组件,形成一个填料防松弛结构,以保持填料上的压力不变,避免了在阀门运行过程中需经常定期拧紧螺母的情况。三是在填料函处设有中间引漏装置,这样可引出泄漏介质避免发生放射性介质污染事故。
计算
    按ASME BPVC—IIl的条款对阀体、阀座、阀盖、阀瓣、阀杆和中法兰等进行应力计算及自振频率计算,在确定阀门的自振频率大于33Hz后,以等效静力法按设计应力+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。根据阀门的压力和温度瞬态工况进行疲劳分析。根据阀门的工况参数,进行了E值的计算。
试验
    为确保试验阀门组件合格,建立阀门组件性能基准数据,(在完成试验程序后将基准数据与试验后检查数据相比较),阀门进行了试验前检验,试验中密封性能满足要求,未发现介质泄漏现象,压力边界保持完好。其行程时间的试验结果如表。

试验压力 电装电压 关闭时间 开始时间
Mpa V S S
31.9 380 9.02 8.67
31.9 342 9.06 8.74

冷热循环与交变试验
    为验证阀门在冷态下的性能,进行了冷循环试验。为验证阀门在高温和冷热交变工况时,管线系统中压力不利的组合下开启和关闭的能力,在高温高压试验回路上进行了热循环试验。试验过程中阀门电装力矩、中法兰螺栓预紧力矩、填料螺栓预紧力矩均无调整变动,填料没有增减和更换,设备各部均完好,回路压力和温度保持正常,阀门启闭功能良好,运行平稳,全行程时间与试验前相比无明显变化,满足规范要求。阀门在模拟工况下循环操 作5 000次,其动作性能仍能保持正常。
热影响及排放试验
    通过对卸压阀进行热影响试验证明,阀门通过热冲击后,突发的热流体不会对阀门造成损坏。通过对卸压阀进行全压差和阶越性压差下的动作性能试验和饱和蒸汽排量试验,验证阀门的可靠性。试验中电动卸压阀在蒸汽通过时,瞬变温度大于260℃/los。开启阀门蒸汽流动15s后,电动卸压阀在附加的15s内正常关闭。压差阶越试验从15.2MPa到1.82MPa,按l.82MPa压差递减,在每个递减的压差阶越,阀门进行完整的、且为全压差下的启闭循环试验。电动卸压阀完成了温度瞬变的热影响试验,阀门运行正常、开启和关闭时间稳定。
    饱和蒸汽流下的全压差性能动作试验,阀门启闭时间条件满足要求。压差阶越性能动作试验,阀门启闭条件满足要求。阀门在15.2MPa饱和蒸汽压差下和在l5.2一1.82MPa之间按1.82MPa压差阶越下进行的动作性能试验,通过计时器测得阀门最大开启时间为8.84s,最小开启时间为8.60s, 最大关闭时间为9.14s,最小关闭时间为8.53s。阀门的开启时间和关闭时间均变化较小,阀门流道面积l0%时的饱和蒸汽总平均排量经试验为7 136k9/h。试验中流体阻断性能和密封性能满足要求。
    由于卸压阀实测自振频率为43.75Hz,为刚性阀门,因此通过地震静载荷试验验证了阀门在地震载荷下的可操作性。
    排放管和反作用载荷试验的目的是为了验证阀门受到所有管端(包括排放管)反作用载荷力,连同包括压力和自重在内的正常工作载荷作用时阀门的可操作性。
试验分析
    各项试验中,阀门的密封性能满足产品设计要求,未发现介质泄漏现象,压力边界保持完好。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。其行程时问的试验结果如表2。

试验压力 电装电压 关闭时间 开始时间
Mpa V S S
31.9 380 9.03 8.68
31.9 342 9.11 8.75

结语
    核一级稳压器电动卸压阀的出厂试验、试验前检验、各项型式试验、试验后分析及各项型式试验后进行的中间检验的各项性能测试指标(如蒸汽流量、密封性能、压力边界完整性、行程时间) 均符合设计任务书、ASME BPVC—lIl和ASME QME—l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。整个试验系列中未发现介质泄漏现象,压力边界保持完好。开启和关闭时间稳定,阀门的自振频率满足要求。

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