核一級升降式止回閥的設計與開發

易全偉 高志崗 孫芳 張宗列

摘 要：介紹了核一級升降式止回閥的性能參數、結構及其主要零件的材料。分析了核一級升降式止回閥冷態循環、流量、端部加載以及熱態功能和熱沖擊試驗的試驗過程及其技術要求。闡述了核一級升降式止回閥技術及其實踐經驗。

關鍵字：核一級  升降式止回閥  性能參數  結構  材料

1 項目概況

隨著國民經濟持續快速增長，為解決電力的“瓶頸”問題，國家發改委明確核電遠景規劃，到2020年中國核電裝機容量將達到7000萬～8000萬kW。這意味著今后國家要建設一批百萬千瓦級核電站，提高核電發電量。    

鑒于普通核電站閥門已部分國產化，但高要求的核一級閥門，技術要求嚴，安全系數高，是發達國家對我國技術封鎖或以昂貴價格賺取高額利潤的產品。因而，要緩解核電投資過大矛盾的唯一出路就是盡快實現核電站關鍵閥門的自主設計、制造、安裝和調試，實現國產化。

面對如此形勢，中核蘇閥科技實業股份有限公司成立了秦山二期擴建項目樣機攻關小組，通過借鑒國外經驗，進行自主開發、技術攻關。樣機研制成功將填補我國在這一領域的空白，改變長期依賴進口的局面，為國家的核電建設作出貢獻。

1.1 項目立項

核工業第二研究設計院根據秦山二期擴建的要求，需對CH1－2″P16WR22R－K（YJ）進行樣機制造，并進行一系列型式試驗。

1.2 任務書的下達

核工業第二研究設計院下達了“壓水堆核電站升降式止回閥研制任務書”，文件編號：PLDSF200705。

1.3 閥門的功能

本任務書研制的閥門為百萬千瓦級核電站安全注入系統使用的閥門，系統代號為RIS040VP。該閥門為核安全Ⅰ級，規范Ⅰ級，抗震類別為 1A，質保等級Q1，閥體材料為不銹鋼，公稱直徑DN50mm，最高工作壓力為17.13MPa，最高工作溫度為343℃。閥門工作介質為反應堆冷卻劑 （含硼水）。該閥門安裝于安全殼內側，閥體要求采用鍛件。

為增加該類閥門的通用性，增加該閥門具有安全殼隔離功能。

類似結構的閥門還可用于安全殼噴淋系統、安全注入系統、余熱導出、化學容積控制系統以及設備冷卻水等系統。

1.4 閥門的主要技術參數

閥門名稱：核一級升降式止回閥。

閥門型號：CH1－2″P16WR22R－K（YJ）

公稱通徑：DN50

公稱壓力：1690lb（1lb=0.454kg）

安全等級：Ⅰ級

抗震要求：1A

工作溫度：343℃

工作壓力：17.13MPa

工作介質：反應堆冷卻劑

主體材料：M3301/Z2CND18－12N.S

密封面材料：STL6/STL6

使用壽命：40年

安裝位置：安全殼內

1.5 設計標準

1）PLDSF200705壓水堆核電站升降式止回閥研制任務書。

2）ASMEQME－1核電廠能動機械設備的鑒定。

3）RCC－M《壓力堆核島機械設備設計和制造規則》2000版＋2002補遺。

4）ASMEB16.10閥門結構長度。

5）IEEE382核電廠中具有安全相關功能的動力操作閥組件執行機構的鑒定。

6）HAF003核電廠質量保證安全規定。

2 研制過程

為了盡快完成樣機的研制，中核蘇閥成立了由總工程師直接領導下的研制項目組，由技術研發中心、核閥分廠、焊熱分廠、鍛造分廠、鑄造分廠、制 造部、質量管理部以及采購部等單位技術精英和管理人員組成，采取項目負責制，運用公司最好的人力和物力資源進行此次樣機的研制。

2.1 密封結構設計

閥體和閥蓋采用帶纏繞式墊片密封的螺栓法蘭聯接，裝拆簡單方便，有足夠的可靠性。

(1) 閥瓣堆焊長度在考慮節省成本和優化設計的前提下，堆焊長度改進如圖1所示。

此改進優點有3個：

圖1 閥瓣堆焊

1）在滿足導向的條件下，減小了摩擦力，更利于開啟。

2）有足夠的空間利于泄壓。

3）節約成本。 

(2) 密封面處密封形式由面密封改為線密封，如圖2所示。

圖2 密封形式

因為用球面對錐面的面密封明顯不能達到密封要求，因此改用鉸孔使之配成線密封，這樣便能滿足密封要求。

（3）密封面材料閥門設計時在閥體和閥瓣密封面處堆焊的是STL6，兩處雖然材料是相同的，但它們之間存在著硬度差，使它們具有優良的耐磨、抗擦傷性能，使用穩定性好，并且防止咬死情況的出現。而且這些優點已在中核蘇閥其他核電閥門設計中得到證實。

（4）主體毛坯選擇閥門主體毛坯采用了鍛件，并嚴格按照Q/DJ100.4R進行超聲波探傷和液體滲透探傷。

（5）應力計算和抗震分析按RCC－M要求對閥體、閥瓣、閥蓋等進行了詳細的應力計算，并進行了自振頻率的計算，確定閥門的自振頻率大于 33Hz后以等效靜力法按設計壓力＋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。其中閥門自振頻率的計算值為 3169.4Hz。

2.2 工藝設計

（1）主體毛坯的質量控制本閥門的所有零件均為鍛件，鍛造時嚴格按照鍛造工藝規程和工序卡進行，嚴格控制始鍛溫度、終鍛溫度、變形程度和變 形速度，按工藝規程規定的冷卻方法進行冷卻。對鍛成品進行化學成分分析、力學性能試驗、晶間腐蝕試驗、金相組織分析，經分析、試驗和測定，均符合相應標準。

鍛件的質量通過超聲波檢驗和液體滲透檢驗來保證，按照RCC－M要求對鍛件進行100%的超聲波探傷并評定，并對鍛件的全部表面進行液體滲透檢驗和評定。

（2）焊接為了提高堆焊質量，對閥瓣和閥座的密封面堆焊采用了等離子氬弧焊工藝。同時，為確保焊接質量，對生產中所用焊接工藝重新進行了工藝評定。

（3）裝配試驗優質產品不僅需要高精度的零部件，更關鍵的是如何將這些高精度的零部件組裝成高性能的產品。中核蘇閥組織了一支經驗豐富、技 術過硬的、由多名技師和高級技工組成的裝配、調試小組，負責閥門的裝配、調試、試驗，制訂了零部件的清洗工藝、裝配工藝，在裝配和調試中嚴格把關，精益求 精，確保閥門的裝配、調試成功，并進行了各類性能試驗，各項指標均符合設計任務書的要求。

（4）過程檢驗 對閥門編制了質量計劃，以確保閥門從原材料、毛坯投入、機加工、焊接、熱處理、無損檢測、清洗、裝配、出廠試驗以及各項型式試驗均得到質量控制，并得到核工業第二研究設計院認可和現場見證。

三、型式試驗

編制了試驗程序，規定了需進行的型式試驗的項目以及試驗順序，編制了相關的型式試驗大綱，清單如下：

1）試驗前檢驗大綱。

2）冷循環試驗大綱。

3）熱態功能和熱沖擊試驗。

4）中間檢驗大綱。

5）端部加載試驗大綱。

6）流量系數值測試。

7）試驗后檢驗大綱。

四、結語

核一級升降式止回閥的出廠試驗、試驗前檢驗、各項型式試驗、試驗后檢驗及各項型式試驗后所進行的中間檢驗的各項性能測試指標（如密封性能） 均符合設計任務書、規范書、RCC－M和ASMEQME－1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。