核级氦气隔离球阀泄漏模式分析及结构优化.pdf

作者简介:聂君锋()男湖北红安人博士从事高温气冷堆燃料装卸系统相关研发工作文章编号:()核级氦气隔离球阀泄漏模式分析及结构优化聂君锋张海泉王 鑫周宏韬徐翠翠(.清华大学核能与新能源技术研究院北京.江苏神通阀门股份有限公司江苏 启东.江苏省核电阀门重点实验室江苏 启东)摘要 核级氦气隔离球阀是高温气冷堆燃料装卸系统的重要承压设备需要满足高温、高压和高辐照工况下的高渗透性氦气介质的密封性能同时需要具备通过球形燃料元件的功能 传统的球阀结构存在氦气工况下的泄漏风险并且无法满足过球的功能 本文通过特殊结构设计采用磁力传动器的方案以及阀体与阀盖之间的密封结构设计将动密封转化为静密封解决了阀杆处的外泄漏 通过阀座与阀体之间的波纹管焊接密封结构设计将球阀启闭过程中的阀座处的动密封转化为静密封解决了阀门的内泄漏 从而使得研制的核级氦气隔离阀能够满足整机泄漏率的要求关键词 核级氦气介质泄漏模式磁力传动器波纹管密封中图分类号:文献标志码:(.):.:概述 示范工程的燃料装卸系统是在线换料系统使用了核级或非核级氦气隔离阀 这些氦气隔离阀需要保证在氦气工况下防止内泄漏和外泄漏的密封功能其工作性能对保证高温气冷堆的正常稳定运行起着重要的作用 示范工程核级氦气隔离阀主要从国外采购价格高、周期长且在安装、调试过程中技术服务跟不上影响工程进阀 门 年第 期度造成工程建造成本的增加 上述诸多问题将制约高温气冷堆的后续发展因此开展核级氦气隔离阀的技术研究实现高温气冷堆氦气隔离阀的国产化具有重要意义 其中核级氦气隔离球阀应用于高温气冷堆燃料装卸系统其可靠性对保证保温气冷堆燃料球装卸系统的可靠和长期稳定运行十分重要 核级氦气隔离球阀主要性能参数核级氦气隔离球阀主要性能参数如下所示设计温度:工作温度:设计压力:工作压力:工作介质:、球形元件、石墨粉尘 年辐照累积剂量:外泄漏率:初始状态 /冷态动作和 次热态动作后泄漏率 /内泄漏率:初始状态以及 冷态动作和 次热态动作后泄漏率均/核级氦气隔离球阀常见泄漏模式分析结合核级氦气隔离球阀的主要性能参数可以看出阀门应用于高温、高压、高辐照的工况 一般结构的球阀主要泄漏点包括如下部位:()球体与阀座之间的阀座密封位置如图 中位置所示()阀座与阀体之间的阀座填料密封位置如图 中位置所示()阀体与阀盖之间的中法兰密封位置如图 中位置所示()阀杆填料密封位置如图 中位置所示图 球阀主要泄漏点结构示意图以上四个密封位置球体与阀座需采用金属硬密封结构阀座填料部位、阀体与阀盖中法兰部位、阀杆填料部位可采用耐高温、耐辐照的核级石墨材质进行密封 但核级氦气隔离的工作介质包含高温高压工况下的氦气其分子量小逸散性能力强中法兰密封位置、阀座填料位置和阀杆填料位置易发生泄漏 其中中法兰密封位置为静密封密封可靠性较高阀座填料在球体启闭过程中存在微量运动阀杆填料在阀门启闭过程中存在旋转运行随着阀门启闭次数的增加阀座填料部位和阀杆填料部位发生泄漏的风险逐渐升高为核级氦气隔离球阀泄漏的高风险点 针对该情况为提高阀座位置和阀杆填料位置的密封可靠性开展核级氦气隔离球阀密封结构的研究和优化设计 核级氦气隔离球阀密封结构优化()阀座填料位置密封结构优化通过对阀座填料位置的工作原理进行分析提高阀座填料处密封可靠性可以通过将动密封转化为静密封的方式进行优化阀座密封采用金属波纹管结构如图 所示金属波纹管组件与阀座之间通过焊接形成一个整体的阀座组件阀座组件与阀体之间设计有密封垫螺纹套通过螺纹与阀体之间进行安装并通过紧定螺钉压在螺纹套上将密封垫压紧在波纹管组件与阀体之间形成静密封 金属波纹管在轴线方向具有一定的弹性可以补偿球体旋转过程中所产生的轴向微量运动 通过结构改进阀座填料处的微运动采用金属波纹管进行补偿同时阀座填料处的动密封被转化为密封垫处的静密封达到提高阀座填料处的内密封可靠性的目的()阀杆填料位置密封结构优化阀杆采用填料密封式阀门阀杆密封的常规结果在阀门的启闭过程中阀杆与填料之间必然存在相对运动产生阀杆填料密封失效的风险 通过分析采用磁力传动技术可以取消阀杆填料结构杜绝阀杆填料处发生外泄漏的风险通过结构优化核级氦气隔离球阀采用磁力传动器结构磁力传动器设计有壳体、外转子组件、屏蔽套和内转子组件如图 所示 外转子组件通过 年第 期阀 门传动轴与驱动装置相连内转子组件与阀杆相连在内转子组件与外转子组件之间设计有屏蔽套屏蔽套为一个静止部件不会随内外转子的转动而转动并且屏蔽套为一个完成的金属壳体可承受设计工况下的介质温度和压力 磁力传动器的内转子组件和外转子组件之间采用永磁技术实现无接触式传动 驱动装置的驱动力通过外转子组件传递至内转子组件最终传递给阀杆带动球体实现阀门启闭图 波纹管阀座密封结构图图 磁力传动器结构图通过结构优化采用磁力传动器代替了阀门的阀盖通过螺栓直接将磁力传动器与阀体连接磁力传动器的屏蔽套与阀体之间采用金属缠绕垫进行密封代替原结构的阀体与阀盖之间的中法兰密封并且取消了阀杆填料的使用彻底杜绝了阀杆填料外泄漏的产生 核级氦气隔离球阀试验验证情况为验证核级氦气隔离球阀的各项指标满足要求在设计阶段进行了计算校核和仿真分析并且针对核级氦气隔离球阀样机编制了鉴定试验规程并进行了全部鉴定试验 应力分析按照 标准规范 地震等级设备的要求对核级氦气球阀进行应力分析与评定以确定该阀门在所承受载荷作用下是否满足 规范对其强度与变形的要求阀门的计算载荷包括自重、内压、接管极限载荷、地震通过分析阀门在各给定载荷作用下阀门各部位的应力均小于规定限制满足标准及规格书的要求分析结果合格 试验验证根据阀门技术要求编制了阀门鉴定试验大纲进行了基准试验、寿命试验、过球功能试验、振动老化试验、抗震试验、端部加载试验、最终检验基准试验:进行了壳体强度试验、外泄漏试验(氦气)、阀座密封试验(氦气)阀门动作试验 试验结果均满足技术要求外泄漏试验(氦气)实测泄漏量/阀座密封试验(氦气)实测泄漏量/寿命试验:阀门完成了 次冷态寿命试验和 次热态寿命试验 试验结果均满足技术要求外泄漏试验(氦气)实测泄漏量 /阀座密封试验(氦气)实测泄漏量 /过球功能试验:阀门按照技术要求完成了过球功能试验 阀门开关位置准确试验芯棒能够正常通过阀门通道满足技术要求振动老化、抗震、端部加载试验:阀门根据试验要求进行了振动老化试验、抗震试验、端部加载试验 经试验阀门三个方向固有频率均大于 振动老化试验、抗震试验、端部加载试验过程中及试验后样品结构保持完整零部件无破损或松脱未失效无明显永久性变形阀门动作正常时间满足要求最终检验:完成上述所有试验后阀门各项试验合格性能稳定外泄漏试验(氦气)实测泄漏量/阀座密封试验(氦气)实测泄漏量/经试验验证核级氦气球阀所有技术指标均达到技术要求 结语通过对核级氦气隔离球阀的结构进行分析通过合理的结构优化采用金属波纹管一体式阀座组件代替常规的阀座填料结构将阀座填料处的动密阀 门 年第 期封转化为密封垫与阀体之间的静密封提高了阀座处内泄漏的可靠性采用磁力传动器结构代替常规球阀的阀盖结构将阀杆处填料的动密封转化为静密封结构杜绝了阀杆填料位置外泄漏的风险 因此本文给出的密封结构设计能够提升核级氦气隔离球阀的整机密封可靠性参 考 文 献 .:.陆培文.实用阀门设计手册.北京:机械工业出版社.成大先.机械设计手册.北京:化工出版社.杨源泉.阀门设计手册.北京:机械工业出版社.刘鸿文.材料力学.北京:高等教育出版社.张清双.阀门手册选型.北京:化学工业出版社././.压水堆核电厂阀门 第 部分:产品出厂检查与试验./.核电厂能动机械设备鉴定 第 部分:阀门出厂检查与试验./钢制阀门 一般要求.(收稿日期:)征 稿 通 知 智能阀门及流体控制技术研究 阀门杂志创刊于 年是国内外公开发行的双月刊杂志 由沈阳阀门研究所主办是中国阀门行业唯一一份公开发行的技术期刊 自创刊以来阀门杂志始终以“研究学术、传播信息”为宗旨坚持 期期精彩、篇篇可读 的理念将学术性与实用性相结合及时报道阀门前沿技术研究成果促进行业科技进步推广高新实用制造技术在确保社会效益的前提下丰富读者的技术知识期刊主要面向石油、化工、电站、矿山、煤气及热力管网、给排水管网、冶金等与阀门有关的行业 期刊主要设有设计计算、试验研究、制造工艺、综述等专栏 欢迎相关院校的教师、研究生、研究院所的研究人员制造企业的技术人员和使用、维修的技术人员以及设备管理人员踊跃投稿 投稿具体要求如下:一、征稿范围主要应用领域为石油储油、核电工程、化学工程、管道工程、冶金工程、水利工程、机械自动化、矿业工程、新能源、航天工程等 征稿内容包括但不局限于以下几个方向:()阀门、管道故障在线诊断技术()阀门耐受性等关键技术与应用()新型阀门结构设计()特种阀门的设计与应用技术()阀门精确控制技术与智能化算法()阀门密封性数值仿真分析()阀门过程控制技术()流体对阀门的力学特性分析()核电、石油、化工等运输管道密封性能研究()流体密封智能化监测技术研究()新型流体输送材料研究()流固耦合特性分析及改进方法()流体机械系统仿真与控制()微流控领域的关键技术二、征稿要求.论文题目应简明扼要(不超过 字).稿件内容完整包括中英文标题、作者、单位及单位所在城市名和邮政编码中英文摘要、关键词(个)正文、参考文献、作者简介等.论文要求主题明确、数据可靠、逻辑严密、文字精炼内容具备一定的创新性能反映作者近期的研究进展和成果.论文(包括含摘要、插图、表格和参考文献)篇幅建议保持在 字以编辑部排版为准至少应达到 页高质量综述性稿件篇幅不受限制.论文插图要求图上数据清晰可见线条均匀.论文参考文献数量要求不低于 条尽可能引用近 年发表的与论文研究密切相关的文献.论文末需注明第一作者的姓名、出生年、性别、职称、研究方向(从事的工作)等信息并注明作者联系方式.如论文涉及有关基金项目的研究内容须在文末写明:基金或资助机构名称项目编号(编辑部会对基金项目论文重点关注望大家踊跃投稿并注明).论文其余撰写要求、排版格式可参考阀门杂志网站(:/.)“下载中心”的“投稿须知”和“论文模板”三、截稿日期 年 月 日四、投稿方式作者可通过网站或者邮箱进行投稿:投稿网站:/.投稿邮箱:.编辑部电话:年第 期阀 门