核电站气动隔膜阀设计研究
通过对核电站核二级气动隔膜阀性能参数、结构、主要零件材料的介绍以及对设计计算、生产制造和鉴定试验过程中技术难点的描述，阐述了核电站核二级气动隔膜阀技术及实践经验。
一、前言
核级气动隔膜阀是压水堆核电站中重要的装置之一，属于安全二级设备。目前核级气动隔膜阀完全依赖进口，是尚未实现国产化的一类阀门。
基于我国核电发展规划，新建核电机组正处于迅速发展阶段，因此，为了实施核级气动隔膜阀国产化工作，中广核工程有限公司与国内厂家合作，完成了核二级气动隔膜阀样机的试制，并通过型式试验验证了该样机满足设计任务书的各项要求。
二、技术要求
1、主要性能参数
根据设计任务书的要求：核二级气动隔膜阀，公称直径为80mm，设计压力为1.6MPa，设计温度为120℃，其主要的性能参数表见下表。
主要性能参数
注：1USgal=3.785dm3。
2、设计标准及规范
设计遵照的标准及规范有：《核级隔膜阀研制任务书》，RCC—M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》(2000版+2002补遗)，ASMEQME—1《核电厂用能动机械设备鉴定》(2002)，ANSIB16.41《核电站动力操作能动阀门装置功能鉴定》和EJ/T1022.12《压水堆核电厂阀门气动装置》。
三、设计计算
1、主体材料的确定
核电样机阀门的材料选择应满足设计任务书的要求，主要包括：其与介质接触的零部件应选用耐蚀性与阀体材料相当的不锈钢材料；所有橡胶隔膜材料、柔性石墨材料氯离子含量应低于50ppm(1ppm=10-6，下同)，硫离子含量应低于200ppm，承受辐照剂量为1×105Gy/40a，其力学性能偏差不超过15%；与介质接触的表面不能使用润滑剂或防药剂，应避免氮化和镀层；应尽量不使用铝、锌及其合金；禁止添加使用砷、锑和汞等元素及其化合物；奥氏体不锈钢零件禁止与碳钢零部件直接接触；不能使用二硫化钼作为润滑剂；除手轮外，其他不承压的所有阀门零件不得使用铸铁。气动执行机构壳体、外伸支架可采用球墨铸铁，球墨铸铁的要求应符合相应国家标准的规定。
根据以上的要求，最终确认该气动隔膜阀各主要零件的材料分别为：阀体用M3402Z3CN20-09M，阀盖用M3402Z3CN20-09M，阀瓣用M3402Z3CN20-09M，隔膜用EPDM。
2、温压等级的确定
根据设计任务书的设计参数及主体材料，根据RCC—M表C3531.2.1，确定该气动隔膜阀为150LB。
3、技术难点及攻关
核级气动隔膜阀的开启是在气源压力的作用下，推动薄膜及隔膜板，压缩弹簧带动阀杆上升来达到；阀门关闭是在失电或失气时，依靠弹簧的张力推动隔膜板带动阀杆向下运动来达到的。
其结构特点如下：
(1)阀门结构(见图1)阀门主体采用了直通式结构，阀体内腔流道近似于管状，切断性能和流通能力均佳，更便于清洗。
图1 阀门结构
1、4.O形圈2.检漏螺钉3.下衬套5.阀杆6.阀盖7.阀瓣8.隔膜9.阀体
阀体密封面采用球面密封(即橡胶隔膜与阀体球面密封面相配合)，具有极佳的密封性能和较小的操作力矩。
阀盖与阀杆用O形圈备用密封，以确保隔膜损坏时压力边界的完整性。
阀盖大平面上设计有内台阶，使阀盖、阀体连接时能完全包容隔膜，以减少橡胶隔膜的蠕变效应。
隔膜阀没有填料密封结构，不存在外渗漏弊病，因此除阀体流道和隔膜外，其他零件与介质均处于完全隔离状态，不受介质侵蚀。隔膜既是关闭件，又是阀体和阀盖连接处的密封垫片，确保无外渗漏。阀盖上设有检漏装置能及时发现隔膜的损坏情况，并能立即关闭，确保压力边界的完整性。
气动隔膜阀阀瓣与阀杆采用螺纹连接，拆装方便。
(2)气动执行机构(见图2)执行机构采用常闭型薄膜式气缸。在事故状态即失电、失气的情况下，依靠弹簧力的作用关闭阀门，通电通气后，压缩弹簧将阀门打开。
图2 气动执行机构
1.气动头下壳体2.隔膜板3.驱动机构隔膜4.上隔膜板5.气动头上壳体6.碟形弹簧
弹簧采用碟形弹簧，具有体积小、刚度大，能以小变形承受大的载荷的特点，可缩小执行机构的体积和重量。
气动执行机构与阀盖的连接采用了支架连接形式，能确保在不拆卸阀门的情况下完整地拆卸执行机构。
气动执行机构附有手操机构，在失去气源的情况下，可通过手轮来打开阀门。
气动执行机构附有限位开关盒位置指示(见图3)，限位开关开位一个关位一个，并在支架中设有指示杆，能现场目视阀门的启闭位置。
图3 限位开关盒位置指示
1.位置指示杆2.限位块3.起动位置指示游标4.行程开关
气动执行机构设有手动锁定装置(见图4)，能使阀门锁定在开或关的位置，确保阀门安全运行。
图4 手动锁定装置
1.手动锁定杆2.游标3.手轮
(3)材料选择隔膜和O形密封圈采用三元乙丙橡胶(EPDM)，这种材料具有较高的耐温性能和抗辐照能力。
隔膜在高温(120℃)动态弯曲作用下的寿命不仅与隔膜的结构设计有关，更与橡胶材料的力学性能高低有密切关联。橡胶力学性能的高低与材料的配方、防老剂的组合和硫化工艺等相关。
气动执行机构的气缸、气缸盖采用了具有较高强度的锅炉钢SCPH压制而成；碟形弹簧选用较高的疲劳强度和弹性模量的优质弹簧钢材料；操作薄膜采用天然橡胶+锦纶网布模压而成，具有高的耐曲挠性能和拉伸强度。
四、制造工艺
承压件阀体、阀盖采用中温中压蜡，硅溶胶精密铸造，铸件具有很高的表面质量、精确的形状和尺寸，与橡胶隔膜接触的面(密封面)不需要进行机加工，避免加工后产生的棱边锐角而损坏隔膜。
阀盖的阀杆孔、阀杆螺母孔与法兰螺孔在加工中确保同轴度。
按照装配工艺进行阀门装配，安排有经验的师傅负责装配确保装配质量。
橡胶隔膜是隔膜阀的核心部件、关键件。因此橡胶隔膜的制造成为关键工艺，厂家与某橡胶研究所经过近百次的反复使用，确定了满足核级隔膜阀要求的橡胶配方、硫化工艺和性能指标，并建立了橡胶车间，橡胶隔膜的制造在厂家内完成。
五、检验和试验
核电阀门是核电装置中安全附件之一，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，而阀门的模拟工况试验是检验样机阀门性能更最直接、最有效的手段。样机阀门的试验主要包括常规试验和型式试验两大类。
1、常规试验
核二级气动隔膜阀的常规试验主要包括：阀体强度试验、阀瓣强度试验、阀座密封试验和功能试验四部分。
阀体强度试验按照RCC—M表C5400的要求进行，试验压力为主体材料室温下最大许用压力的1.5倍，试验保压时间为10min，试验过程中无外泄漏、渗漏和冒汗现象，阀体无残余变形。
阀瓣强度试验的试验压力为该阀门主体材料室温下最大允许用压力的1.1倍，保压时间为5min，在试验过程中没有发现阀座有渗漏现象。
阀座密封试验的密封试验压力为RCC—M表C3531中规定的室温下的最大许用压力，试验保压时间为10min，试验期间阀座处零泄漏。
模拟运行工况下的功能试验，阀门的关闭在零压差下进行，开启在最大压差下进行。本试验可结合承受最大压差的主阀座密封试验一同进行。
2、型式试验
(1)试验过程中的辅助检测
试验过程中的辅助检查主要包括试验前的检验、中间检查以及试验后的检查。
试验前的检查是要确定试验阀门装置的合适性(检查主要包括外观质量检查及尺寸检查等)，并将试验前检查的数据作为阀门组件功能性能基准数据，在完成试验程序以后，将试验后检查数据与这些基准数据进行对比。
中间检查是在每一项阀门的型式试验完成之后都要进行的检查，以确保在该项鉴定试验过程中阀门没有破损以及不可恢复的永久变形等发生。
试验后检查的目的在于获得与试验前检查相比较的数据，以便确定型式试验对阀门功能的影响。具体是在所有的开发性试验完成之后，进行阀座密封试验，确认该阀门在鉴定试验过程中没有发生破损及永久变形等；拆卸测试阀门组件，对其进行全面的检查测试，记录样机阀门组件发生的任何明显损坏或者改变等。
(2)地震试验
地震试验包括OBE试验、SSE试验，阀门的流道方向与振动台长轴方向平行的定义为X向，与长轴方向垂直的定义为Z向，垂直于振动台面方向定义为Y向。试验原理如图5所示。
图5 地震试验原理
1.空气过滤减压阀2.电磁阀3.模拟控制室4.电动激振器及伺服控制器5.振动台6.气管7.固定支架8.被试阀门9、11.压力表10.隔离阀12.水泵13.软管14.多通道采集系统15.计算机16.储容器17.地震软件包
OBE试验时，阀门内腔充满清洁水，加压至试验压力。在OBE试验时，沿X、Y、Z三个方向分别进行正弦扫频试验各两次，第一次正弦扫频是阀门处于开启状态，第二次正弦扫频是阀门处于关闭状态，每次扫频间隔时间为5min。
SSE试验时，阀门内腔充满清洁水，加压至试验压力。试验前，阀门处于关闭状态，在试验过程中，在每一试验频率试验时，阀门应完成开启—关闭—开启全过程动作试验。
(3)端部加载试验
管道反作用力端部加载测试是为了验证，当阀门受到所有管端载荷及压力和自重在内的正常工作载荷作用时试验阀门的可操作性。
端部加载试验可以与地震试验联合进行，也可单独进行，取决于哪种选择表现出最不利的运行环境。
试验方法按照ASMEQME—1—2000QVP7370的规定，试验阀门应按照QVP7331的规定安装于试验夹具中，其端部能传递试验端部载荷。试验在整个阀体长度上施加一个恒定的力矩，并且阀体须至少经受额定轴向拉力的作用，该轴向拉力是由阀门和管路中试验压力的同时作用而在端部处产生的。
(4)振动老化试验
振动老化试验是验证振动环境对阀门装置的影响。试验是在阀门装置中随机产生的，但是适当的振动激振水平，代表正常电厂所产生的振动。
分别在阀门样机3个正交轴方向输入持续时间为90min的正弦扫描激振信号进行激振，试验中每隔15min对阀门进行一次开关试验。
3个方向振动试验完成后，检查阀门的密封性能。然后再用最小驱动力(气源压力)进行一个完整的运行循环试验。
六、结语
在研制初期，根据设计任务书的要求，结合公司大量的隔膜阀的设计经验，确立了核二级气动隔膜阀的设计方案。在设计过程中，通过多种设计手段来验证设计方案，并根据验证的结果进一步修正、优化设计方案。在样机的动作寿命试验(冷态500次，热态1500次)、流体阻断试验以及流量系数试验过程中，未发现阀门表面密封处有冒汗、渗漏现象，试验中阀门能够正常开启关闭；试验后对阀体进行检测，阀盖密封处未发现渗漏点；试验后阀门的启闭正常；在各项试验完成以后，对阀门进行阀座密封检漏，发现其泄漏量满足RCC—M的要求。样机阀门在试验过程中无外泄漏；阀门在端部加载试验中和试验后结构完整；加载试验后检验阀门的密封性，无内外泄漏。
所有型式试验完成后进行的拆散检验表明，阀门零部件无明显损伤的痕迹，所测尺寸与试验前相比无明显变化。
综上所述，核二级气动隔膜阀的整个设计、制造、装配与试验过程满足设计任务书、RCC—M和ASMEQME—1的要求。
