核電廠電氣貫穿件閥門(mén)組件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證
為滿足核電廠電氣貫穿件壓力監(jiān)控系統(tǒng)的密封性，采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求的閥門(mén)組件，并基于有限元分析方法，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算評(píng)定，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了組件的密封性能。
1、概述
核電廠安全殼電氣貫穿件是安裝在反應(yīng)堆安全殼上用于各種線纜貫穿反應(yīng)堆安全殼的專(zhuān)用電氣設(shè)備，需具備壓力邊界的完整性、電氣連續(xù)性和密封可靠性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為對(duì)核電廠的安全運(yùn)行至關(guān)重要。電氣貫穿件閥門(mén)組件是電氣貫穿件中與密封性能密切相關(guān)的重要部件之一，安裝在電氣貫穿件的筒體組件與筒體內(nèi)部連通的一側(cè)端板上，主要起監(jiān)測(cè)電氣貫穿件筒體組件內(nèi)部壓力的作用。通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)值的變化，可以有效監(jiān)控電氣貫穿件的密封性能。
2、分析
現(xiàn)有的電氣貫穿件閥門(mén)組件一般由不銹鋼壓力表、三通閥門(mén)、三通接頭以及引壓管等部件構(gòu)成，各部件通過(guò)可拆卸式卡套連接實(shí)現(xiàn)連接處的密封�，F(xiàn)有的閥門(mén)組件存在著不能滿足使用要求的問(wèn)題，需要改進(jìn)。
(1)連接接頭多，導(dǎo)致組裝和檢測(cè)工作量大。
(2)結(jié)構(gòu)不緊湊，一階自振頻率較低。
(3)現(xiàn)有的卡套連接結(jié)構(gòu)，要求加工精度高，批量生產(chǎn)效率低。
(4)支撐組件與貫穿件端板的連接需要配制，其工作效率低。
(5)整套閥門(mén)組件的各零部件均采購(gòu)國(guó)外產(chǎn)品，組裝的閥門(mén)組件成本高。
針對(duì)分析的結(jié)果，借鑒已成功使用的一體式閥門(mén)結(jié)構(gòu)，將閥門(mén)、壓力表和三通接口設(shè)計(jì)于一體，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、連接接頭少、抗震性能好、生產(chǎn)效率高及產(chǎn)品成本低的閥門(mén)組件。該組件現(xiàn)已獲國(guó)家專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)ZL201220136941.4)。
3、技術(shù)參數(shù)
閥門(mén)組件安裝在安全殼外，其正常及事故條件下運(yùn)行的溫度、壓力及輻照劑量均較為緩和。設(shè)計(jì)溫度-50～200℃；設(shè)計(jì)壓力1.0MPa；密封性能≤5×10-9 Pa·m3/s(真空室法，干燥氦氣)；抗震類(lèi)別抗震I類(lèi)。
4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1、總體結(jié)構(gòu)
閥門(mén)組件(圖1)主要由截止閥、三通截止閥、壓力表、引壓連接管及連接密封組件構(gòu)成。閥門(mén)組件安裝在電氣貫穿件筒體組件端板上后，通過(guò)充氣嘴對(duì)電氣貫穿件的筒體組件充壓時(shí)，截止閥和三通截止閥處于打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)承壓容器、貫穿通道、壓力表連接通道、充氣嘴形成氣壓通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)承壓容器的充壓。充壓后，截止閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，三通截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)筒體組件、貫穿通道和壓力表連接通道形成氣壓通路，壓力表可以通過(guò)連接通道對(duì)承壓容器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。當(dāng)需要校驗(yàn)或更換壓力表時(shí)，截止閥關(guān)閉，將電氣貫穿件內(nèi)的氣體密閉在筒體組件內(nèi)部。
壓力表具有可選的電信號(hào)輸出功能，可將壓力表的示值通過(guò)電纜線傳入控制室，對(duì)電氣貫穿件內(nèi)的壓力值實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
連接法蘭、引壓連接管、閥體及充氣嘴為不可拆卸的一體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)精密鑄造、整體鍛件加工或其他能夠形成一體式結(jié)構(gòu)的加工方式完成。主要部件的一體式結(jié)構(gòu)減少了部件之間的連接點(diǎn)，或泄漏點(diǎn)，減少了安裝和密封性能檢測(cè)的工作量。
1.三通截止閥 2.截止閥 3.閥瓣 4.閥體 5.壓力表連接用密封組件 6.壓力表 7.壓力表電信號(hào)輸出電纜線 8.防塵螺母 9.充氣嘴
圖1 閥門(mén)組件總體結(jié)構(gòu)
4.2、密封結(jié)構(gòu)
一體式閥門(mén)組件關(guān)鍵的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有閥瓣密封、壓力表連接密封及與電氣貫穿件連接的密封。閥瓣是一體式閥門(mén)組件的關(guān)鍵密封部件。由于核電廠安全殼周?chē)那鍧嵍鹊�，閥瓣采用適用于環(huán)境的低壓力環(huán)境條件場(chǎng)合的特種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軟密封件。壓力表通過(guò)壓緊螺母壓接密封組件安裝在閥體上，其中密封組件由雙金屬卡套或軟金屬墊片，并結(jié)合特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成的具有密封和固定壓力表功能的組件構(gòu)成。
閥門(mén)組件與電氣貫穿件連接的密封組件，采用壓緊O形圈的法蘭式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)便于閥門(mén)組件的維護(hù)檢修，同時(shí)也改善了部件的抗震性能。
通過(guò)特殊的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門(mén)組件的整體密封性能得到了進(jìn)一步的提高。
4.3、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
閥門(mén)組件設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了加工制造工藝、使用環(huán)境條件和制造成本等要求，實(shí)現(xiàn)了新組件與現(xiàn)有產(chǎn)品相比性能更好。
(1)由于筒體、引壓連接管、連接法蘭及充氣嘴部件采用一體式結(jié)構(gòu)形式，并采用法蘭式安裝方式與電氣貫穿件實(shí)現(xiàn)連接和密封，使組件泄漏通道少、密封性能好、結(jié)構(gòu)緊湊及抗震性能好，裝置與電氣貫穿件的安裝簡(jiǎn)單。
(2)壓力表與閥體采用可拆卸式安裝方式，并設(shè)計(jì)有前端截止閥，方便壓力表卸下校驗(yàn)或更換。
(3)在滿足電氣貫穿件使用環(huán)境條件要求的前提下，將截止閥的閥瓣頭部設(shè)計(jì)成有機(jī)特種材料的軟錐頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)異的密封性能。
(4)充氣嘴防塵螺母的設(shè)置確保該裝置在塵埃較多的環(huán)境下長(zhǎng)期使用的可靠性。
(5)降低了組件制造、安裝、檢修和運(yùn)行維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)的成本。
5、檢驗(yàn)
5.1、力學(xué)分析
采用BLOCK-LANCZOS模態(tài)分析方法，給出了一體式閥門(mén)組件的前3階固有頻率，其值均高于33Hz，可采用等效靜力法計(jì)算。在地震載荷OBE、SSE條件下對(duì)結(jié)構(gòu)的最大前3處斷面分類(lèi)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。同時(shí)計(jì)算了組件在自重下的最大前3處斷面分類(lèi)應(yīng)力。根據(jù)RCC-MC3552和C3553的閥門(mén)校核準(zhǔn)則的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合表1的載荷組合，計(jì)算了閥門(mén)在各個(gè)工況下的最大前3處斷面分類(lèi)應(yīng)力，結(jié)果表明該組件的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
表1 載荷組合及準(zhǔn)則級(jí)別
按照RCC-MC3540的要求，對(duì)閥門(mén)壁厚進(jìn)行了檢查。按照閥門(mén)的設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa，工作溫度不大于200℃，計(jì)算最小壁厚tm=3.0mm。實(shí)際最小壁厚大于3.0mm，滿足規(guī)范要求。
5.2、密封性能
密封性能指標(biāo)是電氣貫穿件閥門(mén)組件的關(guān)鍵控制參數(shù)之一。該組件密封性能檢測(cè)采用真空室法進(jìn)行，通過(guò)附加堵頭模擬閥門(mén)組件的安裝狀態(tài)，外設(shè)真空腔室。多次密封性能檢測(cè)結(jié)果顯示，閥門(mén)組件的泄漏率≤5×10-9Pa·m3/s，能夠滿足設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的密封性能要求。
6、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)了力學(xué)分析及密封性能試驗(yàn)驗(yàn)證，一體式閥門(mén)組件樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的要求，可應(yīng)用于核電廠電氣貫穿件的壓力監(jiān)測(cè)。
