蒸发器二次侧气动截止阀国产化论证分析

蒸发器二次侧气动截止阀国产化论证分析

阮昭基 陈晨 张家林 黄成龙

福建省福清核电有限公司 福建 福清 350300

摘要：某电厂蒸汽发生器二次侧环路，是主蒸汽疏水系统的除将疏水袋和疏水控制站连接管路，在凝汽器里返回凝结水-主给水循环外另一根疏水管线，它将核岛范围主蒸汽疏水疏往布置在汽机房内的核岛疏水箱，连接至疏水箱管线的过程中，由气动截止阀与下游逆止阀组成隔离。该管线气动截止阀在正常运行期间处于常闭状态。目前国内阀门厂家已具备气动阀门自主研发生产的水平，如实现国产化便于核电直接与设备厂家技术交流，同时该类阀门突发紧急情况可实现设备供货周期缩短，保证现场检修的进度。

关键词：气动截止阀、国产化、充分、必要。

1、概述

气动截止阀广泛用于核电站系统中，是保证核电厂可靠安全稳定运行的重要设备。气动截止阀主要用于主蒸汽系统的旁通阀、汽机旁路系统汽机旁路排放阀、核取样系统的隔离阀、化容系统的下泄流孔板前后的隔离阀已经很多系统的安全壳内外隔离阀等^[1]。本文主要介绍蒸发器二次侧主蒸汽疏水系统气动截止阀。气动截止阀按照阀门开关动作方式分为气开式和气关式；按隔膜数量分为单隔膜式和双隔膜式。某电厂某机组蒸发器二次侧3台同类型气动截止阀均出现阀座、阀芯密封缺陷。本文针对该类阀门进行国产化充分必要性论证分析。

2、蒸发器二次侧环路气动截止阀门信息

某核电蒸发器二次侧环路3台气动截止阀主要信息如下：

1）阀门运行工况。本该气动截止阀位于主蒸汽隔离阀上游的疏水管线，阀门的运行环境为：介质为气液两相疏水，温度282.14℃，压力6.63MPa。当反应堆冷却剂平均温度达到120摄氏度蒸汽管线疏水阀开启。

2）阀门基本信息：该气动截止阀的结构如图（1）所示。阀门使用压缩空气作为动力源，远程控制。

截止阀阀瓣材料为HIP镍基合金（Gr.5）；阀座材料为HIP镍基合金（Gr.4）；阀座与阀体之间的密封垫圈材质为膨胀石墨。

图（1） 截止阀结构

3、蒸发器二次侧气动阀门信国产化充分必要性分析

1)充分性：

A、该气动截止阀主要分为阀体与执行机构两部分。根据上述说明，阀体密封使用抗腐蚀甚至抗高温腐蚀性能，以及强度高、塑韧性好的镍基合金，阀体材质为A48AP。其中镍基合金在阀门球体、阀座、阀瓣等方面亦得到广泛使用，从而使阀门具有耐磨、耐温、耐蚀、减磨抗氧化等性能。我国具备相关钢材质的生产技术。阀门制造成型中，需保证材料工艺过程的完整性及材质优良特质。

B、该阀门执行机构远程控制，为失气关闭。通过控制执行机构气腔上游电磁阀，以此改变进气侧两位两通阀接通状态，实现压缩气体的进入执行机构气腔。作用于推杆，将阀门开启。当两位两通阀关闭时，执行机构气腔经过两位两通阀从节流阀排出，腔内立即失气，推杆在腔内弹簧及自重作用下迅速动作，带动阀门阀杆实现关闭。该类执行机构是一种直线行程的气动装置，执行机构主要为气腔、膜片、托盘、弹簧、和传动部件^[2]组成。

C、该阀执行机构属于气关式执行机构，气源压力通过气动附件进入执行机构气体工作气腔，带动执行机构动作，从而输出推力，因此需要考虑执行机构与输出推力之间关系。理论上，气体作用于气腔内托盘，克服弹簧压力从而带动推杆向着开启方向运动。根据胡克定律计算阀门输出推力与行程关系为：

f=k×h（f：弹簧力；k：弹性系数；h：行程）

F_{输出推力=}F_气源压力-f（F_气源压力大小与气源相关，此处假定不变）

得出：F_输出推力=F_气源压力-k×h。输出推力随着行程增大，输出压力近似直线下降趋势，到达某一定点时，阀门不在动作，实现密封。因此考虑去除极微小的阀芯、阀杆等自重设置密封压力。

4. 阀门性能试验：通过验证阀门在满功率条件下的动作，该阀所在系统管线满功率期间运行温度为：283℃，运行压强：6.71MPa绝压；以及热停堆运行温度：291.4℃，运行压强：7.6MPa绝压^[4]下能否正常工作，同时测试阀门启闭全行程运行时间、输出推力、执行机构及阀杆的摩擦力等参数。其中测试过程重点关注阀门启闭时间低于5秒，确保阀门在各类运行需求状态下，能够实现截止阀的最基本功能：通断介质的功能。记录阀门动作中的摩擦力大小，确保阀门启闭中无卡涩现象发生。阀门出厂性能试验需进行至少5次，连续5次合格批准通过。阀门运行期间维保则连续2次试验合格即可。

5. 阀门安装，调试：由于该类阀门执行机构体积较大，切质量较重。阀门整体呈现倒三角形（头重脚轻）形式。且气动对执行机构冲击后，所在位置会有影响。所有需执行机构需要有固定支架，保证阀门安装位置的唯一性。现场安装中，阀门阀杆需保证垂直地面，避免阀杆歪斜，动作后造成阀门单侧压力集中产生阀门密封面的损坏。

2. 必要性:

1. 该类型阀门原理相对较简单，零部件较少，整体结构不复杂，且类似的气动阀门我国已具备成熟生产设计经验。

2. 目前国际形势复杂，特朗普政权贸易保护壁垒高筑，我国电厂如仍使用国外设备，难免在技术上受制于人，对我国核电安全稳定运行造成不利。

3. 我国正自主研发第三代核电技术，“华龙一号”机组正逐渐实现国产化，阀门作为机组系统重要组成部分，数量众多，实现自主化生产维保刻不容缓。

4. 某电厂出现过所有3台蒸发器二次侧气动截止阀密封面缺陷，由于设备属于国外厂家生产，备件采购供货周期较长，无法保证现场检修进展，严重则容易造成电厂经济损失。如该类阀门我国厂家自主生产，则可保证阀门备件的供应的及时性。

5. 气动截止阀自主生产有利于推动国内厂家设计、制造技能及经验提升。

综上，蒸发器二次侧环路气动截止阀国产化生产满足充分必要条件，随着核电站设备自主化检修日益推进，以及国内阀门检修工程师经验技能的不断提升，设备国产化不论从理论还是技能水平都能满足条件。因此该类型阀门国产化可行。

4、蒸发器二次侧气动阀门阀座故障分析经验

某核电厂阀芯阀座发生开裂，通过某热工研究院分析结论如下：

侧面

下面

阀座

图（2） 宏观检查位置

区域2

区域1

132°

6°

图（3）下面位置局部观察情况

图（4）侧面位置观察情况

断裂区域

启裂位置

同时也进行化学成分分析得出结论如下：

a、截止阀阀座和阀瓣材质满足阀门通用选材要求；化学成分接近于ASTM A494/A494M-2017a中CY40材料；阀瓣材料金相组织为白色γ基体+灰色细小的γ´相，组织中存在较多黑色块状碳化物，并可见原始粉末轮廓和少量的白色（γ+γ´）共晶；阀座材料金相组织为白色γ基体+灰色细小的γ´相，组织中存在较多黑色块状碳化物，并可见较多的原始粉末轮廓，轮廓内可见残留枝晶组织；阀座和阀瓣密封面硬度分布均匀，两者之间差值较大，差值超过NB/T 47044-2014标准规定；

b、阀座断口整体表现为脆性开裂特征，材料脆性大，抗冲击性能差，这种较差的力学性能与材料的显微组织不良有关；阀瓣和阀座密封面损伤性质为冲蚀损伤，它是在高压疏水快速通过密封面的过程中形成的。

总结

蒸发器二次侧环路气动截止阀每台机组总计3台，该阀我国厂家设计制造满足充分必要条件，基于维修及运行维护的考虑，实现自主化生产极为必要。

参考文献

[1] 张凤旺，秦世刚，电站用典型气动截止阀简介及故障分[J].企业技术开发，2010

[2] 张二青，气动执行器系统的故障诊断[D].杭州电子科技大学，2006

[3] 李嫦月，主蒸汽系统手册[A].中国核电工程有限公司，2010

作者简介

阮昭基，福建福清核电有限公司，维修三处机械科员工。

陈晨，福建福清核电有限公司，维修二处机械科员工。

张家林，福建福清核电有限公司，维修一处机械科员工。

黄成龙，福建福清核电有限公司，维修一处机械科员工。