核級減壓閥國產(chǎn)化研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

石　紅，張正春，呂艷新，張發(fā)云，陳一偉,*

核級減壓閥國產(chǎn)化研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

石紅1，張正春2，呂艷新1，張發(fā)云1，陳一偉1,*

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 上海艾維科閥門股份有限公司，上海 201700）

目前我國AP1000堆型用主控室通風(fēng)系統(tǒng)的核級減壓閥均為進(jìn)口，為打破國外技術(shù)壟斷，形成自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，開展了針對CAP1400堆型該閥門的國產(chǎn)化研發(fā)工作。提出了該閥門的研發(fā)技術(shù)要求，介紹了該閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、密封性能、加工工藝、無損檢驗(yàn)以及鑒定試驗(yàn)等多方面闡明研發(fā)技術(shù)要點(diǎn)及關(guān)注重點(diǎn)。鑒定試驗(yàn)結(jié)果表明該閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足技術(shù)性能要求，國產(chǎn)化研發(fā)得以實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)閥門的設(shè)計(jì)研發(fā)工作提供了良好借鑒。

核級減壓閥；技術(shù)研發(fā)；國產(chǎn)化

AP1000系列堆型主控室通風(fēng)系統(tǒng)的核級減壓閥，上游壓力為27.58～1.38 MPa，下游出口壓力要求穩(wěn)定在0.83 MPa。進(jìn)口壓力范圍跨度大，出口壓力穩(wěn)定性及控制精度要求高，對該閥門的設(shè)計(jì)和制造活動(dòng)提出了巨大挑戰(zhàn)。目前我國尚未掌握該閥門的設(shè)計(jì)和制造關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口，以滿足核電工程需求。由于國外技術(shù)壟斷，致使采購成本居高不下，此外，還存在交貨不及時(shí)、服務(wù)響應(yīng)慢等一系列問題。為此，我國開始了對此關(guān)鍵核級設(shè)備的國產(chǎn)化研發(fā)。

1　技術(shù)要求

核級減壓閥為核2級常開閥門，用于保持節(jié)流孔板上游氣體壓力恒定，以確保核電站主控室的輸入氣體流量恒定。閥門主要技術(shù)參數(shù)和性能要求如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)及性能要求

閥門抗震等級為Ⅰ級，要求其能夠承受SL-2和SL-1地震動(dòng)載荷，并保證在地震發(fā)生時(shí)和（或）地震后能履行其規(guī)定的安全功能。為滿足上述功能，對閥門提出如下技術(shù)要求：

（1）閥門需保持出口側(cè)的恒定氣壓，并確?？諝忸~定流量穩(wěn)定在111 m3/h；

（2）閥門應(yīng)設(shè)計(jì)成在正常、異常、緊急和事故工況下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性并實(shí)施正常功能；

（3）閥門需設(shè)計(jì)成30 000次循環(huán)運(yùn)行壽命，一次循環(huán)應(yīng)為在整個(gè)進(jìn)口壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)閥門開度使出口壓力維持在設(shè)定要求；

（4）除易損件（如墊片、橡膠等）以外，在規(guī)定環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)壽命為60年；

（5）橡膠墊片、O形圈和密封件應(yīng)設(shè)計(jì)為具有6年名義維修周期；

（6）除運(yùn)行循環(huán)外，低水平地震循環(huán)載荷應(yīng)進(jìn)行總計(jì)315次循環(huán)的評價(jià)；

（7）閥門整機(jī)的固有頻率應(yīng)等于或大于33 Hz；

（8）閥門的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)依據(jù)ASME BPVC-ⅢND標(biāo)準(zhǔn)；

（9）閥門應(yīng)沿著水平管道按介質(zhì)流動(dòng)方向安裝，其彈簧罩殼為垂直向上。

2　結(jié)構(gòu)特征

針對CAP1400堆型該型閥門的國產(chǎn)化研發(fā)，采用的結(jié)構(gòu)型式為復(fù)式活塞型減壓閥。閥體內(nèi)設(shè)置兩組減壓單元進(jìn)行逐級減壓，通過組合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)閥門在較寬的入口壓力變化范圍內(nèi)保持出口端的減壓和穩(wěn)壓。減壓閥具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

該型閥門具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

（1）調(diào)壓區(qū)域分為高壓調(diào)節(jié)區(qū)和低壓調(diào)節(jié)區(qū)，根據(jù)壓力分配，高低壓區(qū)分別選擇不同壓力等級的彈簧，彈簧特性的匹配程度決定著減壓閥的減壓和穩(wěn)壓功能；

（2）流開型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高低壓調(diào)節(jié)區(qū)任何一級發(fā)生功能失效，剩余一級仍能將出口壓力限制在2.07 MPa以下；

（3）閥座與閥瓣設(shè)計(jì)成單元模塊，可以整體拆卸，互換性強(qiáng)，在苛刻運(yùn)行工況下，能夠快捷安裝和維護(hù)；

（4）閥座下方設(shè)有支撐彈簧，具有響應(yīng)壓力變化和輔助密封的功能，同時(shí)緩和了流量的沖擊，使閥瓣開啟更加平穩(wěn)；

（5）閥體采用一體式鍛造成型，無底蓋結(jié)構(gòu)，零部件統(tǒng)一從上口裝入，有效減少泄漏點(diǎn)；

（6）減壓單元左右布置，高低壓聯(lián)合調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于管線上部，操作方便，亦可節(jié)約管線上下空間。

圖1　減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

3　研發(fā)技術(shù)要點(diǎn)

3.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核級減壓閥上游進(jìn)口壓力波動(dòng)范圍大，波動(dòng)范圍在1.38～27.58 MPa。閥門出口壓力精度要求高，要求經(jīng)調(diào)壓后，出口壓力維持在0.83 MPa±5%范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)研發(fā)采用兩級減壓單元逐級減壓，經(jīng)第一級減壓單元減壓后，使第一級減壓單元出口壓力的變化值大幅降低。用第一級減壓單元的出口壓力作為第二級減壓單元的入口壓力，從而達(dá)到第二級減壓單元出口壓力穩(wěn)定[1]。每組減壓單元的壓力執(zhí)行元件為不銹鋼活塞?；钊戏皆O(shè)置主彈簧，依靠主彈簧的壓縮彈力與活塞腔的反饋壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種閥芯的自平衡型結(jié)構(gòu)，使閥芯受力情況幾乎不受進(jìn)口壓力變化的影響[2]，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)壓和控壓的目的。

核級減壓閥最高入口壓力可達(dá)27.58 MPa，而出口壓力僅為0.83 MPa，調(diào)壓范圍在0.55～26.75 MPa，閥門進(jìn)出口壓差大，調(diào)壓范圍廣。在最大壓差時(shí)，需考慮閥芯開度，避免閥芯小開度運(yùn)行引起閥門震蕩。因此，在閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需采用合理的閥芯設(shè)計(jì)曲線，避開閥芯小開度運(yùn)行[3]。

常規(guī)減壓閥閥體下端設(shè)置底蓋，閥桿彈簧等零部件從下端裝入，底蓋與閥體間需設(shè)置填料進(jìn)行密封，閥體泄漏風(fēng)險(xiǎn)高[4]。該閥門采用無底蓋結(jié)構(gòu)，閥門零部件統(tǒng)一從上口裝入，能夠有效減少泄漏點(diǎn)。

3.2　材料選擇

彈簧在減壓閥中起著非常重要的作用，是該閥門的關(guān)鍵部件之一。彈簧應(yīng)用于高壓區(qū)和低壓區(qū)兩個(gè)區(qū)域，根據(jù)壓力分配，需選用不同壓力等級的彈簧進(jìn)行匹配。彈簧長時(shí)間處于交變應(yīng)力的作用下，要求其具有較高的疲勞極限、屈服點(diǎn)、足夠的沖擊韌性、優(yōu)異的淬透性、低的過熱敏感性和不易脫碳等性能，同時(shí)由于其處于高于室溫并受有輻照的環(huán)境條件，還要求其具有良好的防腐蝕及耐高溫性能。彈簧選材以往多用65 Mn和304/316不銹鋼材料，針對該新型閥門，選用了07Cr17Ni7Al沉淀硬化型不銹鋼，該材料是一種彌散硬化不銹鋼，具有抗疲勞、耐高溫、防腐蝕等特點(diǎn)，能夠很好地滿足對于彈簧的性能要求。

閥門進(jìn)出口壓差大，閥內(nèi)件存在沖刷破壞的風(fēng)險(xiǎn)。第一級密封閥芯材料采用AMS5387 D R30006，閥座采用304堆焊硬質(zhì)合金，能夠有效避免閥門內(nèi)件被沖刷破壞。

對于閥體和活塞，由于閥門工況壓力等級較高，閥體和活塞采用鍛件，閥體材料為ASME SA-182 F11，活塞及活塞缸材料為ASME SA-182 F304。鍛件具有良好的力學(xué)性能，金屬坯料組織經(jīng)過鍛造方法熱加工變形后，變得更加緊密，鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等缺陷經(jīng)鍛造后壓實(shí)和焊合，能夠極大提高金屬的塑性和力學(xué)性能，滿足高壓工況需求。

3.3　密封性能

閥座泄漏率要求高，需不超過5個(gè)氣泡/分鐘。減壓閥的工作方式特殊，沒有執(zhí)行機(jī)構(gòu)為其提供接觸面密封力，閥芯密封力的形成完全來自閥門出口壓力的變化，而閥門出口壓力偏差需不超過±5%，即41 kPa，因此其提供的密封力極其有限。若減壓閥密封面材料選用硬密封，即使通過加工精度保證及密封面的研磨，要實(shí)現(xiàn)在如此高的壓差下，閥座泄漏量不超過5氣泡/分鐘，是不可能實(shí)現(xiàn)的。

該閥門第一級減壓單元采用硬密封型式，第二級減壓單元采用橡膠平面軟密封，利用橡膠的彈性，只需比較小的密封力就能達(dá)到所要求的密封效果。第二級減壓單元閥芯設(shè)計(jì)成燕尾槽，橡膠通過專用模具壓制在燕尾槽里，使橡膠呈骨架包裹式，從而達(dá)到密封性能，也能夠進(jìn)一步提高閥芯使用壽命。

3.4　加工工藝

在機(jī)械加工時(shí)，由于閥門采用活塞結(jié)構(gòu)，閥體與活塞、閥芯與閥座的配合表面有較高的精度要求，需采用專用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精密加工，以確保配合面具有較高的光潔度、尺寸精度以及同軸度。

通過三維造型，工藝優(yōu)化，專業(yè)工裝定位，利用閥體上平面已有的較大的成形孔的空間，經(jīng)數(shù)控精密鉆削，來加工閥體內(nèi)的斜長的流道孔，從而避免在閥體側(cè)面留下加工工藝孔。能夠有效降低閥體泄漏率，避免工藝孔對閥體強(qiáng)度的削弱。

3.5　無損檢驗(yàn)

密封面質(zhì)量直接影響著閥門的密封性能。金屬閥座密封面需進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)以確保其堆焊質(zhì)量。金屬閥座密封表面包括以下結(jié)構(gòu)：

（1）閥門主閥座密封表面為線接觸或?qū)挾刃∮诘扔?.2 mm的閥座接觸面；

（2）閥座接觸面寬度大于3.2 mm的主閥座密封表面；

（3）其他表面。

應(yīng)依據(jù)ASME BPVC-ⅢNC標(biāo)準(zhǔn)對上述各類密封表面質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，具體要求如下[5]：

（1）閥門主閥座密封表面為線接觸或?qū)挾?.2 mm及以下的閥座接觸面

1）具有線接觸的閥座，在線接觸的每側(cè)1.6 mm區(qū)域內(nèi)不應(yīng)有顯示；

2）對于寬度3.2 mm及以下的閥座接觸面，在閥座密封表面上應(yīng)沒有顯示。

（2）寬度3.2 mm以上的閥門主閥座接觸面

1）在閥座密封表面上不應(yīng)有長度0.8 mm以上的線形顯示；

2）不應(yīng)有直徑1.6 mm以上的圓形顯示；

3）閥座密封表面上任意兩個(gè)顯示的邊緣相距不應(yīng)小于6.35 mm，且所有顯示應(yīng)為隨機(jī)分布；

4）閥座密封表面上應(yīng)不超過10個(gè)顯示。

（3）其他表面

不作為密封表面的其他區(qū)域需按照ASME BPVC-Ⅲ的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

4　試驗(yàn)

我國核級閥門鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目以及試驗(yàn)順序主要依據(jù)美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)編制的ASME QME-1《核電廠能動(dòng)機(jī)械設(shè)備鑒定》進(jìn)行，結(jié)合我國工業(yè)發(fā)展水平及閥門鑒定工作實(shí)際，形成核級減壓閥現(xiàn)有試驗(yàn)內(nèi)容。

4.1　基準(zhǔn)試驗(yàn)

基準(zhǔn)試驗(yàn)用于驗(yàn)證閥門功能的適合性并建立功能基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用于與鑒定試驗(yàn)過程中或完成后的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比，以驗(yàn)證閥門性能的變化。閥門需進(jìn)行的基準(zhǔn)試驗(yàn)有殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)以及調(diào)壓試驗(yàn)。

調(diào)壓試驗(yàn)依據(jù)GB/T 12245執(zhí)行，用于驗(yàn)證閥門的減壓性能是否符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)過程中緩慢調(diào)節(jié)減壓閥的調(diào)節(jié)桿，閥門出口壓力應(yīng)在調(diào)壓范圍的最大值和最小值（0.78～0.88 MPa）之間連續(xù)變化，要求調(diào)節(jié)靈敏，無卡阻和異常振動(dòng)。

4.2　環(huán)境鑒定試驗(yàn)

環(huán)境鑒定試驗(yàn)適用于減壓閥中執(zhí)行安全功能和/或維持壓力邊界完整性的關(guān)鍵非金屬件，需按ASME QME-1 附錄QR-B的要求進(jìn)行鑒定，并給出合格的更換周期。閥門執(zhí)行單元為彈性軟密封結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)用了較多的O形密封圈以及橡膠密封墊，其中應(yīng)用于動(dòng)密封的活塞密封圈和主密封的橡膠墊尤為重要。由于核電站用閥門其介質(zhì)不僅有腐蝕性而且承受一定的輻照計(jì)量，因此，這些橡膠件除了要保證必需的拉伸強(qiáng)度、伸長率、硬度、抗老化等性能指標(biāo)外，還需具有耐腐蝕及耐輻照的性能。該閥門非金屬件選材為三元乙丙膠，需進(jìn)行的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目有熱老化試驗(yàn)和輻照老化試驗(yàn)。

4.3　功能鑒定試驗(yàn)

功能鑒定試驗(yàn)用于驗(yàn)證減壓閥在預(yù)期的環(huán)境條件和地震要求下執(zhí)行其安全功能的能力。閥門整機(jī)需進(jìn)行的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目有流量負(fù)載特性試驗(yàn)、壓力負(fù)載特性試驗(yàn)、額定流量系數(shù)試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)、振動(dòng)老化試驗(yàn)、端部加載試驗(yàn)以及地震試驗(yàn)。

流量負(fù)載特性試驗(yàn)依據(jù)GB/T 12245執(zhí)行。閥前壓力設(shè)定為1.8 MPa，閥后壓力調(diào)至壓力設(shè)定值0.83 MPa，閥后輸出流量由工況下最大流量減少至該工況流量的20%。要求當(dāng)閥門出口流量變化時(shí)，閥門不得有異常動(dòng)作，其出口壓力負(fù)偏差值不大于出口壓力的20%。

壓力負(fù)載特性試驗(yàn)依據(jù)GB/T 12245執(zhí)行。閥前壓力設(shè)定為1.8 MPa，閥后壓力調(diào)至壓力設(shè)定值0.83 MPa，調(diào)節(jié)閥前壓力至試驗(yàn)壓力的80%。要求入口壓力變化時(shí)，閥門不得有異常振動(dòng)，其出口壓力偏差值不超過出口壓力的±5%。

閥門壽命試驗(yàn)是考核閥門可靠性的重要試驗(yàn)項(xiàng)目。閥門安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，采用無油干燥空氣在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。閥門進(jìn)口壓力27.58 MPa，調(diào)整出口壓力0.83 MPa，完成開啟到關(guān)閉規(guī)定的30 000次循環(huán)試驗(yàn)，在壽命試驗(yàn)期間，閥門性能應(yīng)保持良好。壽命試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行功能性試驗(yàn)，并與基準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比以驗(yàn)證閥門在設(shè)計(jì)壽期內(nèi)的性能保持情況以及磨損情況。

5　結(jié)論

核級減壓閥成功國產(chǎn)化，打破了AP1000系列堆型中該型閥門國外技術(shù)壟斷的局面，標(biāo)志著我國在閥門設(shè)計(jì)理念、制造裝備、加工工藝以及驗(yàn)證方法等諸多方面的技術(shù)提升。核級減壓閥的國產(chǎn)化有效扭轉(zhuǎn)了進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高昂的局面，有效降低了我國AP1000系列核電機(jī)組的建造成本。先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及制造經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楹罄m(xù)閥門的研制工作提供良好借鑒，共同推動(dòng)我國閥門行業(yè)設(shè)計(jì)和制造能力的提升。

［1］ 鄧業(yè)民．大流量快速節(jié)流比例閥的研制［D］．浙江大學(xué)，2010．

［2］ 喬怡超．供水管網(wǎng)減壓閥優(yōu)化控制漏失研究［D］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014．

［3］ 錢錦遠(yuǎn)，侯聰偉，金亮，等．減壓閥閥芯與孔板間距對節(jié)流性能的影響分析［J］．液壓與氣動(dòng)，2018（12）：11-14．

［4］ 費(fèi)揚(yáng)．新型高參數(shù)減壓閥流動(dòng)特性與高溫高壓強(qiáng)度分析［D］．浙江大學(xué)，2015．

［5］ 核設(shè)施部件建造規(guī)則：ASME BPVC-Ⅲ—2004［S］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004．

Key Technologies for Localization R&D of Nuclear Grade Pressure Reducing Valve

SHI Hong1，ZHANG Zhengchun2，LYU Yanxin1，ZHANG Fayun1，CHEN Yiwei1,*

（1. Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100082，China；2. Shanghai Ivco Valve Co.Ltd，Shanghai 201700，China）

At present, the nuclear grade pressure reducing valve of AP1000 used in the ventilation system of the main control room is imported. In order to break the foreign technical monopoly and form its own intellectual property, the domestic R&D on the valve for CAP1400 has been carried out. This paper puts forward the R&D technical requirements, introduces the structural characteristics, and expounds the key points and focus from the aspects of structural design, material selection, sealing performance, processing technology, nondestructive inspection and identification test. The identification test results show that the structural design of the valve fully meets the technical performance requirements, the localization R&D is realized, which provides a good reference for the subsequent design.

Nuclear grade pressure reducing valve; Technology R&D; Localization

TK5

A

0258-0918（2022）06-1372-05

2021-11-28

石 紅（1986—），女，吉林松原人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事民用核安全設(shè)備技術(shù)評審相關(guān)研究

陳一偉，E-mail：349766680@qq.com