核电厂电气贯穿件阀门组件设计及验证

　　为满足核电厂电气贯穿件压力监控系统的密封性，采用一体式结构设计满足规范要求的阀门组件，并基于有限元分析方法，应用ANSYS进行力学分析计算评定，同时通过设计验证试验验证了组件的密封性能。

1、概述

　　核电厂安全壳电气贯穿件是安装在反应堆安全壳上用于各种线缆贯穿反应堆安全壳的专用电气设备，需具备压力边界的完整性、电气连续性和密封可靠性，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对核电厂的安全运行至关重要。电气贯穿件阀门组件是电气贯穿件中与密封性能密切相关的重要部件之一，安装在电气贯穿件的筒体组件与筒体内部连通的一侧端板上，主要起监测电气贯穿件筒体组件内部压力的作用。通过压力监测值的变化，可以有效监控电气贯穿件的密封性能。

2、分析

　　现有的电气贯穿件阀门组件一般由不锈钢压力表、三通阀门、三通接头以及引压管等部件构成，各部件通过可拆卸式卡套连接实现连接处的密封。现有的阀门组件存在着不能满足使用要求的问题，需要改进。

　　(1)连接接头多，导致组装和检测工作量大。

　　(2)结构不紧凑，一阶自振频率较低。

　　(3)现有的卡套连接结构，要求加工精度高，批量生产效率低。

　　(4)支撑组件与贯穿件端板的连接需要配制，其工作效率低。

　　(5)整套阀门组件的各零部件均采购国外产品，组装的阀门组件成本高。

　　针对分析的结果，借鉴已成功使用的一体式阀门结构，将阀门、压力表和三通接口设计于一体，实现结构紧凑、连接接头少、抗震性能好、生产效率高及产品成本低的阀门组件。该组件现已获国家专利(专利号ZL201220136941.4)。

3、技术参数

　　阀门组件安装在安全壳外，其正常及事故条件下运行的温度、压力及辐照剂量均较为缓和。设计温度-50～200℃；设计压力1.0MPa；密封性能≤5×10^-9 Pa·m³/s(真空室法，干燥氦气)；抗震类别抗震I类。

4、结构设计

　　4.1、总体结构

　　阀门组件(图1)主要由截止阀、三通截止阀、压力表、引压连接管及连接密封组件构成。阀门组件安装在电气贯穿件筒体组件端板上后，通过充气嘴对电气贯穿件的筒体组件充压时，截止阀和三通截止阀处于打开状态，此时承压容器、贯穿通道、压力表连接通道、充气嘴形成气压通路，实现对承压容器的充压。充压后，截止阀处于开启状态，三通截止阀处于关闭状态，此时筒体组件、贯穿通道和压力表连接通道形成气压通路，压力表可以通过连接通道对承压容器进行压力监测。当需要校验或更换压力表时，截止阀关闭，将电气贯穿件内的气体密闭在筒体组件内部。

　　压力表具有可选的电信号输出功能，可将压力表的示值通过电缆线传入控制室，对电气贯穿件内的压力值实现实时监控。

　　连接法兰、引压连接管、阀体及充气嘴为不可拆卸的一体式结构，通过精密铸造、整体锻件加工或其他能够形成一体式结构的加工方式完成。主要部件的一体式结构减少了部件之间的连接点，或泄漏点，减少了安装和密封性能检测的工作量。

1.三通截止阀 2.截止阀 3.阀瓣 4.阀体 5.压力表连接用密封组件 6.压力表 7.压力表电信号输出电缆线 8.防尘螺母 9.充气嘴

图1 阀门组件总体结构

　　4.2、密封结构

　　一体式阀门组件关键的密封结构设计有阀瓣密封、压力表连接密封及与电气贯穿件连接的密封。阀瓣是一体式阀门组件的关键密封部件。由于核电厂安全壳周围的清洁度低，阀瓣采用适用于环境的低压力环境条件场合的特种工程塑料如聚醚醚酮、聚砜或全氟烷氧基聚合物材料制成的软密封件。压力表通过压紧螺母压接密封组件安装在阀体上，其中密封组件由双金属卡套或软金属垫片，并结合特定的结构设计形成的具有密封和固定压力表功能的组件构成。

　　阀门组件与电气贯穿件连接的密封组件，采用压紧O形圈的法兰式结构，该结构便于阀门组件的维护检修，同时也改善了部件的抗震性能。

　　通过特殊的密封结构设计，阀门组件的整体密封性能得到了进一步的提高。

　　4.3、结构特点

　　阀门组件设计时综合考虑了加工制造工艺、使用环境条件和制造成本等要求，实现了新组件与现有产品相比性能更好。

　　(1)由于筒体、引压连接管、连接法兰及充气嘴部件采用一体式结构形式，并采用法兰式安装方式与电气贯穿件实现连接和密封，使组件泄漏通道少、密封性能好、结构紧凑及抗震性能好，装置与电气贯穿件的安装简单。

　　(2)压力表与阀体采用可拆卸式安装方式，并设计有前端截止阀，方便压力表卸下校验或更换。

　　(3)在满足电气贯穿件使用环境条件要求的前提下，将截止阀的阀瓣头部设计成有机特种材料的软锥头结构，该结构具有更加优异的密封性能。

　　(4)充气嘴防尘螺母的设置确保该装置在尘埃较多的环境下长期使用的可靠性。

　　(5)降低了组件制造、安装、检修和运行维护等各个环节的成本。

5、检验

　　5.1、力学分析

　　采用BLOCK-LANCZOS模态分析方法，给出了一体式阀门组件的前3阶固有频率，其值均高于33Hz，可采用等效静力法计算。在地震载荷OBE、SSE条件下对结构的最大前3处断面分类应力进行了计算。同时计算了组件在自重下的最大前3处断面分类应力。根据RCC-MC3552和C3553的阀门校核准则的相关规定，结合表1的载荷组合，计算了阀门在各个工况下的最大前3处断面分类应力，结果表明该组件的应力满足规范要求。

表1 载荷组合及准则级别

　　按照RCC-MC3540的要求，对阀门壁厚进行了检查。按照阀门的设计压力为1.0MPa，工作温度不大于200℃，计算最小壁厚tm=3.0mm。实际最小壁厚大于3.0mm，满足规范要求。

　　5.2、密封性能

　　密封性能指标是电气贯穿件阀门组件的关键控制参数之一。该组件密封性能检测采用真空室法进行，通过附加堵头模拟阀门组件的安装状态，外设真空腔室。多次密封性能检测结果显示，阀门组件的泄漏率≤5×10-9Pa·m3/s，能够满足设计技术参数的密封性能要求。

6、结语

　　通过了力学分析及密封性能试验验证，一体式阀门组件样机达到了设计技术参数的要求，可应用于核电厂电气贯穿件的压力监测。