核级气动隔膜阀研制

　　介绍了核级气动隔膜阀的技术参数、研制过程和型式试验的概况。

1、概述

　　核级气动隔膜阀是百万千瓦级压水堆核电站中重要的装置之一，属于安全二级的部件。目前，国内核电站机组用的核级气动隔膜阀，完全依赖进口，是尚未实现国产化的阀门。因此，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为研制开发出性能可靠，满足工况要求的核级气动隔膜阀，对于我国自主发展核电事业，提高核电站国产化率，提升我国阀门的设计和制造水平，具有积极的意义。

2、技术参数

　　设备名称核二级气动隔膜阀，型号规格H2G6B66W-150LbDN80。RIN码MINFSJ-F-G；RCC-P2级；RCC-M2级；公称压力2.0MPa(150Lb)；设计压力1.1MPa；设计温度120℃；工作压力≤1.1MPa；工作温度≤120℃；质保等级Q1；抗震类别1A；行程时间20s；流量系数L/D≤135；动作寿命次数2000；2000次动作后密封面泄漏率0；气源压力0.4～0.95MPa；阀门适用系统设备冷却水系统、疏排水系统等；典型介质反应堆冷却剂；主体材料RCC-MM3402Z3CN20-09M；隔膜材料EPDM。

3、结构设计

　　3.1、阀体

　　气动隔膜阀(图1)阀体流道采用直通式缩颈结构，在满足阀门流通能力要求的前提下，可以缩短阀门的行程。从而减小隔膜的曲挠变形和变形产生的应力，延长隔膜的使用寿命。密封面采用球面密封，由于流道设计为缩颈结构，因此在进出口与中腔连接处形成双重密封，具有密封性能好，操作力矩小等优点。

　　3.2、隔膜

　　隔膜采用金属阀瓣与橡胶整体膜压成型，结合牢固均匀，不会产生脱壳现象，且尺寸、形状精度高。隔膜形状设计成双重功能结构，即隔膜的下部设计为半球体状，其功能是作为阀门的关闭件实现管路介质的接通或截断。隔膜的上部为盆状，其功能是作为中法兰垫片及阀体流道与阀盖之间隔离的作用，并承受着阀门开启和关闭过程中的介质作用力和曲挠应力。由于盆状部分弧面设计较为平坦，弯曲程度较小，隔膜的使用寿命长。

图1 核级气动隔膜阀

　　3.3、气动执行机构

　　气动执行机构采用薄膜式执行机构，操作薄膜与缸体没有相对摩擦，不会磨损，无内外泄漏，使用寿命长(图2)。采用单作用弹簧复位设计，碟形弹簧采用对合的组合方式，来获得所需的设计载荷(阀门关闭力)，弹簧的数量由阀门的行程、单个弹簧的变形量设计确定。采用碟形弹簧替代圆柱螺旋弹簧可缩小执行机构的体积和质量，减少了阀门外伸结构的高度，从而降低了重心位置，提高了阀门的抗震能力。壳体和下壳体的法兰边缘设计制造成翻边形状，提高了壳体的刚度，防止因法兰变形而产生泄漏。气动执行机构设有手动锁定装置，能使阀门锁定在开或关的位置，确保阀门安全运行(图3)。

4、设计计算

　　在开发核二级手动/气动直通式隔膜阀过程中，对阀门本体和气动执行机构进行了分析计算。计算时根据阀门的结构，进行了最大操作轴向力计算，校核隔膜和操作薄膜的强度。在气动执行机构的设计计算中，分别对机构的主要零部件进行了计算，通过计算确定了碟形弹簧的厚度、数量、直径、弹簧的工作载荷及工作行程，以及弹簧的疲劳寿命次数等主要参数。在操作薄膜的计算中，根据气动执行机构输出轴向力，一般取阀门最大操作轴向力的1.3～1.5倍确定操作薄膜的参数和尺寸，保证气动执行机构的可靠传动。通过对样机产品的鉴定试验验证，证明了所选参数的合理性。

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

图2 气动执行机构

1.手动锁定杆 2.游标 3.手轮

图3 手动锁定装置

5、材料选择

　　隔膜和O形圈采用三元乙丙胶(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，更与橡胶材料的机械性能有关。橡胶机械性能与材料的配方、防老剂的组合和硫化工艺等有关。经过多次试验，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，其橡胶性能指标达到ASTMD412的要求。气动执行机构的气缸和气缸盖采用了具有较高强度的锅炉用钢SCPH压制而成，碟形弹簧选用具有较高的疲劳强度和弹性模量的优质弹簧钢，操作薄膜采用天然橡胶+锦纶网布模压而成，具有较高的耐曲挠性能和拉伸强度。

6、型式试验

　　按照相关要求，编制了鉴定试验程序，规定了需要进行的型式试验项目及试验顺序。鉴定试验程序包括试验前检验大纲、隔膜材料耐辐照试验大纲、气动执行机构寿命试验大纲、冷态循环试验大纲、热态循环试验大纲、寿命试验大纲、热冲击试验大纲、流体阻断试验大纲、中间检验大纲、振动探测试验大纲、振动老化试验大纲、地震试验大纲、端部加载试验大纲、流量系数试验大纲和试验后检验大纲等。

　　6.1、试验前检验

　　试验前检验是为确保试验阀门组件的合适程度和建立阀门组件性能的基础数据(表1)，并在完成试验程序后将这些基准数据与试验后检查数据相比较，而进行了试验前检查。

表1 基础数据

7、分析

　　试验后将试验数据与试验前检验数据相比较，以确定鉴定试验对阀门功能的影响。试验中阀门密封性能满足要求，未发现介质泄漏现象，压力边界保持完好。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。

8、结语

　　分析核级气动隔膜阀的各项性能试验和鉴定试验的结果，充分验证了样机的设计和制造满足RCC-M的要求和规定，能够满足百万千瓦级压水堆核电站的工况要求，并通过产品鉴定。