高温气冷堆大口径核级氦气隔离阀密封结构研究.pdf

作者简介:汤晓刚()男江苏苏州人工程师学士从事核电阀门设计工作文章编号:()高温气冷堆大口径核级氦气隔离阀密封结构研究汤晓刚王悦琴高志岗张易阳吴莘馨(.中核苏阀科技实业股份有限公司江苏 苏州.清华大学核能与新能源技术研究院北京)摘要 阐述了高温气冷堆大口径核级氦气隔离阀的漏率指标并通过对氦气隔离阀样机的密封结构进行研究设计并制造了多种主密封结构试验件进行试验结合试验件的试验情况选取密封性能稳定可靠的密封结构运用至样机上最终样机的内漏及外漏密封性能通过试验得到验证为高温气冷堆大口径核级氦气隔离阀密封结构的设计及其他低漏率要求阀门密封结构的设计提供借鉴关键词 高温气冷堆大口径氦气隔离阀低泄漏试验验证中图分类号:文献标志码:(.):.:概述高温气冷堆属于第四代核电技术其固有安全性好、发电效率高、环境适应性强、用途广泛在核能发电、热电冷联产及高温工艺热等领域商业化应用前景广阔是我国优化能源结构、保障能源供给安全、实现“双碳”目标的重要路径 目前全球首个四代球床模块式高温气冷堆核电站山东石岛湾核电高温气冷堆 示范工程已成功并网发电标志着高温气冷堆技术在中国实现了从“实验室”到“工程应用”质的飞跃 示范工程中有数百台的核级氦气隔离阀是高温堆气冷堆中面广量大的承压设备 这些氦气隔离阀连接着高温气冷堆中众多的工艺系统其工作性能对保证高温气冷堆的正常稳定运行及安全起着重要作用 示范工程核级氦气隔离阀大量从国外采购价格高、周期长且在安装、调试过程中技术服务跟不上影响工程进度造成工程建造成本的增加 为解决 示范工程氦气隔离阀将来的更换问题以及为后续 万高温气冷堆氦气隔离阀国产化奠定基础急需开展氦阀 门 年第 期气隔离阀的国产化研究研制成功后国内阀门厂家将具备高温气冷堆核级氦气隔离阀产品的供货能力以国代进解决“卡脖子”问题同时可以降低高温气冷堆的建造成本 样机主要参数研制目标是完成核级氦气隔离阀系列化样机研制及鉴定试验实现高温气冷堆氦气隔离阀的国产化 课题包含 和 两台大口径核 级氦气隔离阀样机研制任务样机主要参数如表 所示表 样机主要参数样机名称 核 级氦气隔离阀 核 级氦气隔离阀口径阀门类型截止阀设计压力 设计温度 磅级 安全等级规范等级主体材料 漏率指标(内漏)/(次冷态动作和 次热态动作后)漏率指标(外漏)/(次冷态动作和 次热态动作后)研制难点经过调研分析高温气冷堆大口径核级氦气隔离阀样机的研制难点主要有以下两点:()大口径核 级氦气隔离阀的研制课题中所包含的 和 两台氦气隔离阀样机均属于截止阀但在核电阀门中截止阀口径一般较小如在三代核电堆型中大部分截止阀的口径均有少部分截止阀口径可能会达到、及 但是一般不超过 本课题中有一台 核 级氦气隔离阀样机的研制要求其口径大、核规范等级高、磅级高且介质为氦气对于阀门主密封结构密封性能以及压力边界完整性的保证具有一定难度()低泄漏指标要求的保证由于样机属于大口径高压截止阀且氦气具有很强的渗透性初始状态漏率需满足要求的同时也要求样机在冷态动作 次和热态动作 次后 氦检内漏/外漏/这就对阀门主密封结构及外漏密封结构的密封性能提出来很高的要求具有一定的难度 解决方案根据样机的研制难点需要对氦气隔离阀样机的主密封结构及压力边界进行详细地设计确保样机的密封性能满足指标要求 主密封结构密封性能是指阀瓣和阀座形成的密封副的密封性能 阀门压力边界完整性主要通过壳体强度、阀杆动密封结构和阀体 阀盖中腔密封结构来保证其中壳体强度可以通过详细地分析计算以及承压零件的质量控制来保证即压力边界完整性的保证主要是指外漏密封结构即阀杆动密封结构以及阀体 阀盖中腔密封结构密封性能的保证各密封结构如图 所示 主密封结构设计为了确保最终运用在样机上的主密封结构稳定可靠决定先进行主密封结构试验件试验通过详细设计确定了三种主密封结构方案:方案一属于传统的金属与金属密封结构即阀瓣球面 阀座锥面结构方案二属于双重密封结构即 型圈与平面 金属平面密封结构方案三也属于双重密封结构即 型圈与锥面 金属平面密封图 样机密封结构方案一密封结构如图 所示采用阀瓣球面 阀座锥面结构同时密封面堆焊司太立硬质合金该结构的特点是吻合度好、阀瓣具有自动对中性能耐冲蚀和耐磨性好可以保证阀门动作一定次数后仍具有较好的密封性能方案二密封结构如图 所示阀门关闭时阀瓣底部密封面与阀座密封面形成平面密封同时阀瓣底部密封面与 型圈形成线密封构成双重密封同时密封面堆焊司太立硬质合金 该结构的特点是双重密封、阀瓣全程导向 型圈的压缩量由放 年第 期阀 门置 型圈的凹槽深度限定设计合理的凹槽深度 可以保证 型圈具有较好的压缩量和回弹量 固定片将 型圈固定在阀座上防止 型圈脱离阀座同时阀瓣与压紧环形成了阀瓣导向结构控制阀瓣的歪斜量保证阀门的密封性能图 方案一密封结构图 方案二密封结构方案三密封结构如图 所示阀门关闭时阀瓣锥形密封面与 型圈形成线密封阀瓣底部密封面与阀座密封面形成平面密封构成双重密封结构同时密封面堆焊司太立硬质合金 该结构的特点是双重密封、阀瓣全程导向、阀瓣具有自动对中性 型圈的压缩量也是由放置 型圈的凹槽深度 限定压紧环 压住 型圈可以防止 型圈脱离阀座同时对 型圈进行预压从而保证阀门关闭时阀瓣可以与 型圈接触形成密封保证阀门的密封性能 外漏密封结构设计 阀杆动密封结构设计阀杆动密封采用波纹管 填料双重密封结构如图 所示该结构阀杆动密封首先由波纹管进行保证波纹管与阀杆、压环焊接而成并且全部焊缝进行液体渗透检验确保焊缝质量波纹管正常工作时可以确保腔体内的介质不会向外泄漏 当波纹管密封失效时阀杆动密封处还设置有填料作为备用密封结构起到双重保护作用确保腔体内介质不会从阀杆动密封处向外泄漏图 方案三密封结构图 阀杆密封结构 阀体 阀盖中腔密封结构设计传统阀门阀体 阀盖中腔密封一般采用石墨密封圈进行密封但是由于氦气隔离阀样机为 的高压阀门且介质氦气具有很强的渗透性一般的石墨密封圈很难满足/的外漏指标要求 结合氦气隔离阀样机的结构特点及工作原理阀体 阀盖中腔密封结构采用石墨密封圈与金属 型圈相结合的结构设计如图 所示阀体与压环之间设置有金属 型圈压环与阀盖之间设置有石墨密封圈()当阀门腔体内充满氦气时阀体与压环间阀 门 年第 期设置有金属 型圈阀体上放置金属 型圈的凹槽通过详细设计并严格控制凹槽的加工精度使金属 型圈的压缩量及回弹量得到有效保证同时确保与金属 型圈接触形成密封的阀体凹槽底部及压环底部的表面粗糙度 平均值 可以使金属 型圈起到较好的密封效果从而满足/的外漏指标要求()阀盖与压环之间设置有石墨密封圈当阀门腔体内充满氦气时介质氦气首先由波纹管保证密封石墨密封圈只是作为波纹管失效时的备用密封石墨密封圈采用内圈金属 外圈石墨相结合的结构内圈金属主要是防止石墨过压而导致密封失效外圈石墨可以起到备用密封的效果图 中腔密封结构 试验验证 主密封结构试验验证通过主密封结构的详细设计生产制造了三种方案的主密封结构试验件试验件装配完成后进行了 氦检漏试验如图 图 所示试验情况及试验结果分析分别如表 和表 所示图 试验件装配三种主密封结构中目前只有方案一能够满足漏率要求其结构简单、加工方便属于单密封方案二和方案三属于双重密封但是其加工精度要求高且装配难度大试验结果暂时不能满足漏率要求还需要对结构进行优化 所以结合试验情况氦气隔离阀样机的主密封结构选择方案一图 试验件动作图 氦检表 试验件试验情况试验件状态方案一方案二方案三初始状态/(/)次冷态动作后漏率/(/)次冷态动作后漏率/(/)次冷态动作后漏率/(/)次冷态 次热态动作后漏率/(/)表 试验结果分析主密封结构方案方案一方案二方案三初始状态满足要求满足要求满足要求 次冷态动作后漏率满足要求漏率超标漏率超标 次冷态动作后漏率满足要求 次冷态动作后漏率满足要求 次冷态 次热态动作后漏率满足要求 通过对氦气隔离阀样机的详细设计生产制造了 及 两台氦气隔离阀样机并分别对两台样机的主密封结构进行了 氦检如图、图 所示试验结果漏率均/年第 期阀 门满足漏率指标要求图 样机主密封氦检图 样机主密封氦检 外漏密封结构试验验证通过对外漏密封结构的详细设计生产制造出样机后分别对两台样机的外漏密封结构包括阀杆动密封结构和阀体 阀盖中腔密封结构进行了 氦检如图、图 所示试验结果漏率均/满足漏率指标要求图 样机外漏氦检 结语通过对两台大口径核 级氦气隔离阀样机密封结构的研究结合三台试验件的试验情况确定了满足低泄漏要求的密封结构并运用至实物样机上最终样机的内漏及外漏密封性能通过试验得到验证满足漏率指标要求图 样机外漏氦检通过本课题的研究掌握了核级氦气隔离阀的设计和制造关键技术以及大口径核级截止阀低泄漏要求密封面的研磨工艺解决了大口径低泄漏截止阀的研制难题可以为高温气冷堆大口径核级氦气隔离阀密封结构的设计及其他低漏率要求阀门密封结构的设计提供借鉴参 考 文 献 .:.:.杨源泉.阀门设计手册.北京:机械工业出版社.陆培文.实用阀门设计手册.北京:机械工业出版社.机械设计手册编写组.机械设计手册.北京:化学工业出版社.陆培文高凤琴.阀门设计计算手册.北京:中国标准出版社.苏志东尹玉杰张清双等.阀门制造工艺.北京:化学工业出版社.张清双尹玉杰明赐东等.阀门手册:选型.北京:化学工业出版社.压水堆核岛机械设备设计和建造规则.张清双杨健师晓东等.高温气冷堆氦气隔离阀技术研究.阀门():.朱文斌汪菊陆建东等.核一级电动波纹管截止阀研制开发.通用机械():.章茂森靳淑军宋忠荣等.小口径波纹管截止阀密封结构的改进.阀门():.(收稿日期:)阀 门 年第 期