核级气动隔膜阀研制

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Research and M anufacture of Nuclear Grade Pneumatic Diaphragm ValveXU W en-qing(Shanghai EHO Valve Manufacture CO.，Ltd，Shanghai 201823，China)Abstract：Introducing the technical parameters and the development process and type test profiles of thenuclear pneumatic diaphragm valve。

Key words：nuclear power value；nuclear pneumatic diaphragm valve；structrure1 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-，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，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-150Lb DN80RIN码 MINFSJ-F-GRCC-P 2级RCC-M 2级公称压力 2.0MPa(150Lb)设计压力 1.1MPa设计温度 120oC工作压力 ≤1.1MPa工作温度 ≤120oC质保等级 Q1抗震类别 1A行程时间 20s流量系数 L/D ≤135作者简介：许文清(1962-)，女 ，工程师，从事阀门设计开发和研制工作。

动作寿命次数 2 0002 000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-M M3402 Z3CN20-09M隔膜材料 EPDM3 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2013年第4期 阀 门用，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。上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，-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.蝣标 3.手轮图3 手动锁定装置5 材料选择隔膜和 0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(120oC)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 ASTM 13412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- 12- 阀 门 2013年第4期循环试验大纲、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6.2 隔膜材料耐辐照试验隔膜材料耐辐照试验是用 Co60射线对隔膜材料三元乙丙橡胶(EPDM)进行辐照加速老化模拟试验，模拟产品在核电厂安全壳外辐照环境的老化过程，以确定隔膜预期工作寿命。试验结果辐照前后，其机械性能偏差不超过 15%。

6.3 气动执行机构寿命试验气动执行机构寿命试验是验证被鉴定阀门气动执行机构在模拟工况下的循环操作性能。在气动执行机构开关 10 000次后，检查其性能(表 2)。试验在室 温 下 进行，操 作 气 压 0.6MPa，试 验 压 力1.1 MPa。试验前检查气动执行机构性能完好，壳体强度试 验 (1.43MPa，5min)无 泄 漏，密 封试 验(0.95MPa，3min)无泄漏。

表 2 气动执行机构寿命试验6.4 冷热态循环试验冷热态循环试验是验证阀门在冷态(室温)或热态(12OcC)时，管线系统中压力不利的组合下开启和关闭的能力(表3，表4)。

表3 冷态循环实验目 介6.5 寿命试验寿命试验是被鉴定的阀门在模拟工况下进行循环操作，阀门开关2 000次后(试验压力为 1.1MPa，试验温度为 120C)，检查其性能，如压力边界能否保持完整、主要零部件有无损伤、开关动作是否正常、阀座处是否有泄漏等(表5)。

表5 寿命试验2013年第4期 阀 门 ～ 13～6.6 热冲击试验热冲击(冷热交变)试验是证实试验阀门在温度交变时，管线系统中压力不利的组合下开启和关闭的能力。试验在热态寿命试验机上进行(表 6)。

表 6 热冲击试验6.7 流体阻断试验大流量会在阀瓣上产生大的、执行机构须克服的动态流体力，流体阻断性能验证旨在证实阀门装置克服这种动态力而开启和关闭的能力。在气源压力 0.4～0.6 MPa的驱动力下，完成了3次流体阻断试验，试验过程中阀门开关正常，阀门密封检测无泄漏。

6.8 中间检验各型式试验完成后进行的中间检验结果表明阀门的密封性能满足要求，未发现介质泄漏现象，压力边界保持完好。

6.9 振动探测试验和地震试验振动探测试验是确定试验阀门装置的自然频率，其试验所确定的自然频率用以判断试验阀门装置是柔性的还是刚性的，以及验证阀门的自然频率计算方法和结果。通过整机在模拟地震台上的动力试验，考核其压力边界的完整性和在地震工况条件时的可运行性。同时可了解阀门的薄弱部位在地震载荷作用下的动力响应及控制气源的连续性。

6.10 端部加载试验端部加载试验是验证阀门受到所有管端载荷力，连同包括压力和自重在内的正常工作载荷作用时阀门的可操作性。试验结果样机满足试验大纲的要求。

6.11 流量系数测定按 JB/T 5296-91进行流量系数测定试验。实测核二级气动直通式隔膜阀流量系数 C 值 590L/min，对应L/D 90。实测核二级手动直通式隔膜阀流量系数c 值371lMmin，对应L/D 27，满足研制任务书L/D≤135的要求。

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。