華龍一號核島主設(shè)備用大型液壓阻尼器研發(fā)

李 磊，錢亞鵬，湯臣杭，賀 楓，王 巖，王 園，張富源

（1.中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都610213；2.常州格林電力機(jī)械制造有限公司，

江蘇 常州213119）

1 前言

大型液壓阻尼器是壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主設(shè)備蒸汽發(fā)生器和主泵支承中的關(guān)鍵部件。在核電廠正常運行時，阻尼器允許蒸汽發(fā)生器和主泵緩慢運動且產(chǎn)生的阻力很小，以適應(yīng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)因溫度變化而產(chǎn)生的膨脹和收縮；在地震或事故工況（管道破裂）時，阻尼器可提供滿足要求的剛度并承受相應(yīng)的動態(tài)拉、壓載荷，以約束蒸汽發(fā)生器和主泵的運動，保證蒸汽發(fā)生器和主泵的結(jié)構(gòu)完整性。目前，國內(nèi)的在役壓水堆核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器和主泵用大型液壓阻尼器均為進(jìn)口，嚴(yán)重依賴國外廠商。華龍一號是中國自主研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代壓水堆核電技術(shù)，是用于實施國家核電走出國門戰(zhàn)略的核電自主品牌。研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)大型液壓阻尼器，可解決該設(shè)備國產(chǎn)化和設(shè)備出口受限問題，具有重要意義。

2 設(shè)計研究

2.1 設(shè)計規(guī)范

阻尼器按2007版RCC-M[1]H篇S1級支承件進(jìn)行設(shè)計、制造、檢驗和試驗。阻尼器的技術(shù)鑒定滿足NB/T20036.4—2011[2]的要求。

2.2 性能指標(biāo)

研制的阻尼器包括3個型號，即ZHGL-ZN-450型、ZHGL-ZN-650型和ZHGL-ZN-850型。在事故工況下它們可承受的載荷分別為450t、650t和850t。其中，ZHGL-ZN-450型阻尼器用于蒸汽發(fā)生器水平支承、ZHGL-ZN-650型和ZHGL-ZN-850型阻尼器用于主泵水平支承。

各型號阻尼器的主要性能指標(biāo)如表1所示。阻尼器在60年壽期內(nèi)考慮經(jīng)受累積劑量為9.75E+05Gy，有效能量為6.5MeV的γ射線。

表1 阻尼器性能指標(biāo)

2.3 總體結(jié)構(gòu)

阻尼器主承載油缸為單活塞桿結(jié)構(gòu)，兩端扁銷頭（含關(guān)節(jié)軸承鉸接），其中頭端（活塞桿端）與被支承設(shè)備連接，尾端（后缸蓋端）與銷座連接。由于單活塞桿結(jié)構(gòu)阻尼器的有桿腔和無桿腔存在容積差，當(dāng)活塞處于不同行程位置時，容積差也不相同。因此另外設(shè)計了輔助油缸以補(bǔ)償容積差，輔助油缸的總?cè)莘e大于活塞桿載面積與總行程乘積，并留有裕量。根據(jù)輔助油缸的結(jié)構(gòu)及布置位置不同，設(shè)計了2種不同形式的整機(jī)結(jié)構(gòu)（A型和B型）。

A型阻尼器采用獨立側(cè)向固定式輔助油缸，輔助油缸通過內(nèi)部連接管路與阻尼器本體連接成一體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 A型阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)類型輔助油缸的工藝難度較小，但需同步考慮輔助油缸的布置方向，以防止阻尼器與支承對象發(fā)生干涉。B型阻尼器是在A型的基礎(chǔ)上，結(jié)合所支承設(shè)備安裝布置特點進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計。

B型阻尼器采用內(nèi)置式輔油缸（將輔油缸設(shè)計在主油缸腔體內(nèi)部），整機(jī)外形為圓柱形全對稱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 B型阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)類型輔助油缸雖然工藝難度較大，成本略高，但最大程度地縮小了外形尺寸，節(jié)省了整機(jī)安裝和維修操作空間。

2.4 選材

阻尼器主要承載零件包括缸體、缸蓋、活塞、活塞桿、支座、銷軸、螺栓等，所用材料屬于RCC-M規(guī)范管轄的承載部件所用材料。本項目研制阻尼器實際采用的材料為42CrMo低合金鋼鍛件。材料采購規(guī)范在完全滿足JB/T 6396[3]42CrMo鋼鍛件要求的基礎(chǔ)上，參照RCC-MH2000中規(guī)定的材料標(biāo)準(zhǔn)RCC-MM5150、M5170以及以往工程經(jīng)驗，再提出以下附加要求：嚴(yán)格控制了S、P等有害元素含量；規(guī)定了晶粒度、非金屬夾雜物檢測要求；力學(xué)性能試樣的截取位置更加苛刻；逐件要求100%表面滲透或磁粉檢測；逐件要求100%體積進(jìn)行超聲檢測；提出了理化性能、無損檢測等入廠復(fù)驗要求。

對其他非RCC-M管轄范圍內(nèi)的材料根據(jù)一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取。液壓油和密封件等非金屬材料經(jīng)輻照試驗證明能承受阻尼器壽期內(nèi)經(jīng)受的放射性劑量。禁用含鋁、鉛、鋅和低熔點元素的材料。

2.5 強(qiáng)度設(shè)計

阻尼器按照H3200“S1級支承件的設(shè)計規(guī)則”進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計。根據(jù)選材確定A級、C級和D級工況許用應(yīng)力，并對主要承載零件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計和力學(xué)分析。

2.6 剛度設(shè)計

剛度是阻尼器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。剛度值K定義為：其所承受的載荷（Fn）與其在承載條件下測得的總變形（S）的比值，K值的允許偏差范圍為±10%。

總變形S主要由以下兩部分構(gòu)成：金屬材料的彈性變形量S1、液壓油的壓縮變形量S2。按照零件設(shè)計尺寸和參數(shù)，根據(jù)虎克定律和金屬材料對應(yīng)的彈性模量，運用有限元分析軟件，計算各零件在載荷下的彈性變形量；根據(jù)阻尼器的設(shè)計參數(shù)（缸徑、桿徑、行程）計算主油缸在載荷條件下拉、壓兩個工作腔的壓強(qiáng)值，對選定牌號的液壓油在對應(yīng)壓強(qiáng)下的壓縮性能進(jìn)行研究測試，得出苯甲基硅油的壓縮率特性曲線，并計算液壓油的壓縮變形量。

為了保證大型阻尼器產(chǎn)品在工程情況下批量制造時的合格率，實現(xiàn)剛度指標(biāo)±10%允許偏差范圍的要求，創(chuàng)新設(shè)計了一種特殊的液壓缸活塞結(jié)構(gòu)，以滿足精確控制阻尼器剛度的不同需求。

2.7 密封設(shè)計

阻尼器密封設(shè)計的主要目標(biāo)是保證在運行環(huán)境（輻照、溫度等）以及規(guī)定的載荷條件下整機(jī)密封的可靠性。為了獲得可靠的密封性能，選用耐輻照性能優(yōu)異的氟橡膠材質(zhì)的O形密封圈，其硬度則與工作壓力相匹配；機(jī)械零件密封槽設(shè)計則采用密封系統(tǒng)推薦的配合精度，并嚴(yán)格控制槽底粗糙度?？傮w上各密封部位均精心設(shè)計了多重密封系統(tǒng)，密封形狀、位置經(jīng)過專門的設(shè)計優(yōu)化。根據(jù)密封件的安裝部位，大型阻尼器的密封分為高壓靜密封、低壓靜密封、高壓動密封、低壓動密封四大類。經(jīng)試驗驗證，密封結(jié)構(gòu)在1.25倍事故工況載荷對應(yīng)的工作壓力下未發(fā)生泄漏。

2.8 控制閥設(shè)計

研制的阻尼器采用液壓控制原理實現(xiàn)減振，其結(jié)構(gòu)特點可簡化為由一個單活塞桿系統(tǒng)的液壓裝置，分別在有桿腔和無桿腔布置了一組特殊結(jié)構(gòu)的阻尼閥。在活塞運動時，液壓油通過阻尼閥在主油缸兩腔和輔油腔之間流動，液壓油流動形成的壓差決定了阻尼閥的開啟、關(guān)閉，從而控制活塞的自由位移與鎖定。

液壓阻尼器的工作原理如圖3所示。

阻尼器采用了內(nèi)置一體式阻尼控制閥組，該類型阻尼閥的設(shè)計計算及制造工藝精度較高，但一經(jīng)整機(jī)性能測試合格后其阻尼特性不易變化，能有效保障阻尼器的可靠性；該閥組在安裝、檢修更換方面具有良好的操作性。通過設(shè)計、計算閥組（拉、壓兩個方向）的閥體結(jié)構(gòu)、閥心結(jié)構(gòu)及通流截面積、背壓彈簧剛度等參數(shù)，以保證整機(jī)靜態(tài)性能（低速摩擦阻力、閉鎖速度、釋放速度）和動態(tài)性能（動態(tài)剛度、頻率響應(yīng)）滿足要求。

圖3 液壓阻尼器工作原理簡圖

3 鑒定試驗

3.1 總體情況

為了確保阻尼器能在規(guī)定的運行條件和環(huán)境條件下滿足性能要求，阻尼器樣機(jī)按照NB/T20036.4—2011的規(guī)定進(jìn)行了鑒定試驗。鑒定試驗包括3類：功能參數(shù)試驗、老化試驗、環(huán)境試驗。

阻尼器樣機(jī)鑒定試驗順序如下：試驗前的檢查、功能參數(shù)試驗、老化試驗、環(huán)境試驗、中間檢查、功能參數(shù)試驗、試驗后拆解檢查。所有試驗均在同一臺阻尼器上進(jìn)行。

試驗前檢查包括所有組件的尺寸檢查、記錄且與試驗后檢查的尺寸比較。

中間檢查包括檢查零部件、緊固件及連接件等有無松動、斷裂和腐蝕，并注意液壓油是否存在損失的跡象，中間檢查時不進(jìn)行修理或其他減輕劣化的活動。

3.2 功能參數(shù)試驗

功能參數(shù)試驗包括行程測量、低速移動阻力試驗、閉鎖試驗、釋放速度試驗、泄漏（密封性）試驗、擺動試驗、剛度試驗。功能參數(shù)試驗在20℃、40℃、60℃、80℃和100℃下分別進(jìn)行。

3.3 老化試驗

老化試驗包括事故工況載荷耐久性試驗、微振耐久性試驗、疲勞試驗、振動試驗。事故工況載荷耐久性試驗測試阻尼器在事故工況載荷重復(fù)作用下的性能，對阻尼器施加事故工況拉、壓載荷各60次。微振耐久性試驗測試阻尼器在往復(fù)運動后的性能，對阻尼器施加振幅小于等于2mm的交變載荷振動50000次。疲勞試驗測試阻尼器經(jīng)受反復(fù)載荷后的性能，對阻尼器施加0.5倍事故工況載荷振動20000次。振動試驗測試阻尼器在不同頻率的循環(huán)載荷作用下的振動特性，試驗施加的動態(tài)循環(huán)載荷頻率為3～33Hz（間隔為3Hz），每一頻率下試驗持續(xù)時間不短于10s，載荷振幅根據(jù)試驗臺能力確定為1000kN。

3.4 環(huán)境試驗

環(huán)境試驗包括高溫試驗、高濕度試驗、鹽水噴霧腐蝕試驗、硼酸噴淋試驗、粉塵試驗和輻照試驗。試驗參數(shù)模擬阻尼器在核電站發(fā)生失水事故后的環(huán)境條件，其中環(huán)境溫度最高達(dá)156℃。

3.5 試驗結(jié)果

老化試驗和環(huán)境試驗前、后的全部阻尼器功能參數(shù)試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求。試驗完成后，目視檢驗阻尼器，未發(fā)生漏油、緊固件松弛、損傷等異常現(xiàn)象。試驗后拆解阻尼器，各部件無目視可見損傷；測量活塞、缸體、缸蓋、銷軸等關(guān)鍵部件尺寸，與試驗前測得的尺寸進(jìn)行比較，無明顯變化。

4 結(jié)論

華龍一號核島主設(shè)備用大型液壓阻尼器的研發(fā)實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。研發(fā)的3種型號的阻尼器各項技術(shù)性能經(jīng)鑒定，完全滿足華龍一號核電機(jī)組的要求，可應(yīng)用于華龍一號核電工程。