核安全级阀门的试验研究

1、概述

　　随着新能源技术的快速发展，核能作为清洁能源已得到世界各国的公认，并争相发展。我国出台的有关能源规划表明，从2010~2020年，中国将新建核电站31座，核电装机容量达到4000万kW，核电比重由现在的1.69%提升到4%。这也标志着核电将在中国未来的电力发展中扮演更重要的角色。阀门是核电装置中的安全附件之一，其作为流体介质管路传输中的重要控制设备，功能性是否满足要求直接关系到整个核设施的安全。本文以用于中国实验快堆(CEFR)的核安全2级钠截止阀(DN40-T形、DN40-Z形)和止回阀(DN40-T形)为例，介绍该产品寿命试验和抗地震试验的方法。

2、参照标准

　　CEFR的核安全2级钠截止阀(DN40-T形、DN40-Z形)和止回阀(DN40-T形)在制造过程中遵循的主要标准和规范如下。

　　ASME BPV-Ⅲ-1-95ND级设备

　　ASME BPV-Ⅱ-95材料技术条件

　　ASME BPV-Ⅴ-95无损检验

　　HAF 0902-95民用核承压设备无损检验人员培训、考核和取证管理办法

　　GB 9115.1-GB9115.26-88对焊钢制管法兰

　　GB 12221-2005金属阀门结构长度

3、试验

3.1、寿命试验

　　核级阀门设计使用寿命为40年。阀门按EJ/T 1022.11标准进行了机械磨损、热老化和辐照老化等相关试验。

　　(1)机械磨损试验

　　机械磨损试验是驱动装置加载情况下(相当于与阀门连接带动阀门开或关时所受到的力)，经2000次循环动作试验。试验后，驱动装置应运转正常。

　　(2)热老化试验

　　热老化试验是试验过程中，驱动装置经过2000次连续循环操作，并在加载情况下进行。驱动装置置于干燥空气中加热至135℃，试验950h。

　　(3)辐照老化试验

　　辐照老化试验前，驱动装置在加载情况下，完成所要求的机械磨损老化试验操作循环次数的5%。辐照试验在干空气中进行，温度为70±3℃，γ射线累计辐照剂量为250kGy。辐照试验前，阀门应转动灵活、密封性能符合要求。辐照试验后再重复进行动作试验和密封试验等，其结果应和辐照前保持一致。

3.2、抗地震试验

　　抗地震试验是为满足核电站阀门设备的需要，按照IEEE 344、GB 136255核电厂安全系统电气设备抗震鉴定6和HAFJ 0053《核设备抗震鉴定试验指南》的要求进行。抗震试验的项目有测试阀门的自震频率与阻尼比、五次OBE地震反应考核试验、一次SSE地震反应考核试验和性能试验。

　　模拟地震振动台的震动方向为X、Y、Z三方向六自由度，最大加速度为X方向=±4.0g、Y方向=±2.0g、Z方向=±4.0g。频率范围为0.1～100Hz。

　　试验时，样机阀门安装在刚性底座上(图1)，刚性底座与振动台面之间采用螺母固定。与阀门垂直方向为振动台激励的X方向，与此垂直的方向为Y方向，竖向为Z方向。

图1 Z形钠截止阀安装在地震试验台上

　　(1)动态特性探查试验

　　阀门进出口方向(Y向)的固有频率为24.42Hz，在垂直于进出口方向(X)的固有频率为13.66Hz，在垂向(Z)的固有频率74.70Hz。

　　(2)OBE地震试验

　　5次OBE试验中，台面X、Y、Z方向输入速度加速度为图2所示(在此仅以X方向为代表)加速度曲线的0.65倍，其中任意两条曲线的相关系数均小于0.2，且强震部分大于10s，三方向幅度幅值分别为0.709g、0.741g和0.676g，大于对应的要求谱的零周期加速度0.49g、0.59g、0.52g。图3给出了X方向加速度输入的时程反应谱与要求反应谱(试验设定谱)的包络情况(OBE的谱值为图示谱值的0.65倍)，台面加速度的反应谱能完全包络要求的反应谱。5次OBE试验测量结果有很好的重复行。

图2 SSE地震试验Z方向台面射程

1.测量值 2.理论值

图3 SSE地震试验Z方向台面加速度时程反应谱对要求谱的包络

　　第5次OBE试验中阀体上部法兰处的加速度响应示于图2，加速度的最大幅值列于表1中。由图可见，支撑法兰处加速度计在阀门开的过程中受电机转动的影响，曲线上有接近于9s的时间段响应幅值较大。在试验中第5次OBE试验中阀体驱动装置机构上部的加速度时程示于图4，加速度的最大幅值列于表1中。

表1 OBE和SSE试验中加速度测量结果

图4 第5次OEB试验阀门驱动机构顶部加速度

(上至下分为X，Y，和Z向)

　　5次OBE试验中阀门的最大应力分别为19.8MPa、21.32MPa、21.72MPa、21.41MPa和21.56MPa，出现在阀门的阀体支撑悬臂的根部(应变测点1)。每次OBE试验中阀门均能在9s内完成开关操作，未发现泄漏。

　　(3)SSE地震试验

　　SSE试验中台面的X、Y、Z三向地震时程以X向为例如图2所示，它们的反应谱与各自要求反应谱的包络情况见图3，三方向加速度幅值分别为1.09g、1.14g和1.04g，大于对应的要求谱的零周期加速度0.76g、0.91g、0.80g。台面加速度的反应谱完全包络要求的反应谱。三方向台面加速度的功率谱密度(PSD)见图5，它们均能包络由对应的要求反应谱计算得到的PSD80%的曲线。阀体驱动机构上部的加速度幅值见表1。阀体支撑悬臂根部最大应力为44.00MPa。

图5 SSE地震试验Y方向台面输入加速度PSD

　　试验中和试验后阀门均能在9s内完全开关操作。阀体结构未见损坏。试验后对阀门在1.2MPa压力下保压15min，未见任何泄漏，密封完好。阀门的外观检查未见变形损坏。

　　(4)试验结果

　　试验后阀门结构的动态特性Y向的固有频率为23.68Hz，X向固有频率13.66Hz，在垂向Z的固有频率为75.47Hz。

3.3、其他试验

　　在试验的质量检验工作中进行了材料成分、机械性能，冲击韧性、焊接、热处理、无损检验、外观和尺寸等检验，及壳体水压试验和密封试验，防腐蚀、清洗和清洁度保持等系列工作。

4、结语

　　CEFR的核安全2级Z形钠截止阀经过2000次循环动作试验、老化试验和辐照试验符合要求。抗地震考核试验结果表明，按照中国原子能院提供的楼层反应谱进行的5次OBE地震反应考核试验和1次SSE地震反应考核试验，试验过程中X、Y、Z三方向的台面加速度反应谱，包络了试验要求的反应谱。在所进行的OBE和SSE地震反应考核试验过程中和试验结束后，样机外形结构及外观没有裂纹，支耳和驱动装置转动正常，配对法兰及法兰配件(螺钉、螺母及垫片)没有松动或脱落等不正常现象。核级阀门(样机)在设计使用寿命期限内，转动灵活，密封性能符合要求。对于类型相同，尺寸小于经过抗地震试验(抗震指标相同)的阀门可以沿用此试验结果。另外同等类型尺寸一致的阀门，如果已经过抗地震试验，并且其抗震指标要求低，可进行对照分析，也同样可借荐使用，以减少经费投入。