RCC-M 核1级手动波纹管截止阀的设计

文章编号:1002-5855(2007)02-0018-05作者简介:张征明(1967-),男,副研究员,从事反应堆结构设计与结构力学分析工作。

核安全一级阀门的力学分析张征明,吴莘馨(清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084) 摘要　介绍了核安全一级阀门结构应力分析方法在阀门设计中的重要作用。

以核安全一级电动截止阀为例,采用规范法和分析法对阀门的承压边界进行了力学分析和计算,并对阀门主法兰和连接螺栓的计算结果作了对比和评价。

关键词　核安全一级;核工业用阀;力学分析 中图分类号:TH134 文献标识码:AMechanical analysis of the nuclear safety class 1valveZHANG Zheng -ming ,WU Xin -xin(I nstitute of Nuclear and new Energ y T echno logy ,Tsing hua University ,Beijing 100084,China )A bstract :Design by analysis method must be used for the nuclear safety class 1valve as the regula -tio ns of nuclear safety codes .Detailed stress distribution in the valve structure should be analyzed andevaluated .This paper introduces the mechanical analysis of a nuclear safety class 1electric shutoff v alve .The introduction w ill focus on the com munications betw een the designer and the analy zer of the v alve .Some advisements are given by the analy zer based on the mechanical analysis results of the valve structure .Key words :nuclear safety class 1;valve ;mechanical analysis 1　前言核安全级阀门在设计、制造和检验等各个环节上均有远高于普通阀门的要求,尤其是核安全一级阀门,按照核安全法规的要求,必须采用分析方法进行设计,对阀门结构进行详细的应力分析和评价。

波纹管球阀的研究1 概述随着石油、石油化工、化学工业、化纤工业、医药工业及核工业的迅猛发展，波纹管阀门得到了广泛的使用。

波纹管阀门主要适用于易燃、易爆和有剧毒的工况以及对环境有极为严格要求的场合。

波纹管阀门在阀杆处实现了零泄漏，有效地保证了生产和科研的正常进行，保证了环境不受污染和人员不受伤害。

2 分析波纹管阀门通常有波纹管截止阀和波纹管闸阀。

波纹管截止阀阀杆只做升降直线运动，行程较小，以DN50口径截止阀为例，行程只有14mm，使用寿命可达5000次。

波纹管闸阀行程较大，DN50口径为43mm，使用寿命较短，只能达到2000次。

不论闸阀还是截止阀，它们的共同缺点是阀杆轴向尺寸过大，DN50口径截止阀阀杆直径为φ21mm，长290mm，闸阀阀杆直径为+22mm，长为415mm。

从力学角度分析，截止阀的长径比为13.8，闸阀长径比为18.8。

阀杆轴向受力极其不稳定，特别是波纹管阀在工况运行中，介质带压的情况下，阀门关闭困难。

在阀门设计中，一般采用增加径向尺寸和缩短轴向尺寸的方法，也解决不了波纹管截止阀和闸阀的结构问题。

故现行的波纹管闸阀和截止阀经常因为阀杆过长，在运行中折弯而使阀门失效。

针对上述波纹管截止阀和闸阀的缺点，研究开发了波纹管球阀。

波纹管球阀克服了波纹管截止阀和闸阀阀杆过长的缺点，其结构合理、匀称和稳定。

波纹管截止阀、闸阀和球阀结构如图1。

波纹管球阀阀杆长220mm，直径为25mm，长径比为8.8。

波纹管球阀与波纹管截止阀和闸阀相比有如下的优点。

(1)波纹管球阀具有三级密封，而波纹管截止阀和闸阀只有二级密封。

一级密封设在阀杆下端处。

采用锥面密封。

阀杆与阀盖处密封长度为4mm，属于金属与金属的硬密封，且压力越大密封越好。

第一道密封渗漏量极小，由于密封面光洁度较高，在密封面间形成微小的毛细管通道，根据流体力学理论，流体通过毛细管后，沿程压力损失很大，波纹管内的压力较小，这样就保护了波纹管。

二级密封为波纹管密封。

核一级手动截止阀替代分析胡文盛，肖朱强，吴起，王文(福建福清核电有限公司，福建福清350318)摘要：分析阀门中腔泄漏的潜在运行风险，结构设计对维修的影响，确定物项替代的必要性。

通过分析替代阀门对设备性能、管系 应力、系统功能、管道布置和水压试验的影响，结合机组首次大修施工窗口和施工技术，确定了阀门替代的可行性。

关键词：核一级;手动截止阀;替代;分析;评价 D 〇I ：0.16621/j .cnki .issn 1001-0599.2017.07.67中图分类号:TH 134文献标识码:B0前言阀门是核电厂流体传输系统中重要的组成部分，密封性是其最基本的功能之一。

某核电厂1〜4号机组各有28台DN 50的核一级手动截止阀，型号为SJXSXA 0050X 和SJUSXA 0050X 。

作为核级阀门，其压力边界的完整性具有非常严苛的要求。

1〜4号机组阀门安装调试期间，该型阀门多次发生中腔泄漏和内漏现 象，故障处理困难。

该类型阀门用于一回路压力边界，泄漏严重 时可能迫使机组状态后撤甚至停堆。

为从根本上提高阀门可靠 性，消除潜在运行风险，需对阀门替代的必要性和可行性进行分 析，确定是否可采用等效物项进行永久替代。

1核一级手动截止阀(1)结构形式。

核电厂1〜4号机组DN 50核一级手动截止阀的中腔(阀体与阀盖形成的密闭腔室)采用螺纹连接加唇边焊的 结构形式，密封通过金属垫片保证，同时施以唇边焊进行二次密 封来防止介质泄漏；阀座则通过在阀体内堆焊司太立合金加工 而成。

阀门结构如图1所示。

图1原始核一级手动截止阀结构⑵技术参数。

阀门主要参数:设计压力17.2MPa ，20.3 MPa ;设计温度343益,120益，主体材料M 3301/Z 2CND 18-12N .S ;抗震 等级11，质保等级Q 1，结构长度(260±2)mm ，中腔螺纹尺寸M 76x 3 mm ,中腔塾片外径86 mm ,宽度4 mm ,内径78 mm ,厚度2.5耀0.1mm 〇(2)功能。

波纹管截止阀标准
波纹管截止阀的标准可以根据使用场景和国际标准进行选择，以下是一些常见的波纹管截止阀标准：
1. 美国国家标准：美国国家标准协会（ANSI）/美国石油学会（API）标准，如API 600，API 602等。

2. 国际标准：国际标准化组织（ISO）标准，如ISO 15761，ISO 15761等。

3. 欧洲标准：欧洲标准EN标准，如EN 593，EN 558等。

4. 德国标准：德国标准化学会（DIN）标准，如DIN 3352，DIN 3356等。

5. 日本标准：日本工業規格（JIS）标准，如JIS B2071，JIS
B2073等。

在选择波纹管截止阀的标准时，需要考虑使用场景、流体介质、工作压力和温度等因素，并根据相关标准进行选择和验证。

1 概述金属波纹管阀门的波纹管下端焊接在阀杆上，以防止工艺流体浸蚀阀杆，另一端置于阀体和阀盖之间构成静密封。

采用合适的材料，波纹管阀可用于高温500℃和高压2500Ib（42MPa）工况中。

通常阀门行程为波纹管自由长度的15%，因而波纹管占据很大的压力空间，制造工艺相对复杂，价格较贵。

但与传统填料密封阀门相比，阀杆的密封更加可靠，在外泄漏要求比较严格的场合，如有毒介质、强腐蚀介质和放射性介质以及热油等场合中应用广泛。

2 设计要求波纹管阀门最常用的结构形式为波纹管截止阀和闸阀。

波纹管截止阀因为其启闭行程短，易于制造与之匹配的波纹管而使用广泛。

闸阀由于需要的行程较长，制造波纹管的难度增大，使大口径波纹管闸阀的使用受到限制。

2.1 阀门寿命波纹管阀门的全开-全关-全开过程为一个循环（一次），美国阀门和管件制造者标准协会MSSSP-117规定波纹管阀门寿命如表1。

在不同的工况条件下，波纹管阀门的寿命要求也不一样，设计时应满足客户的具体要求。

表1 波纹管阀门寿命2.2 阀门试验波纹管阀门的试验分为型式试验和产品试验。

2.2.1 型式试验波纹管阀门的关键部件是波纹管。

波纹管的型式试验可以是波纹管阀门，也可以是用连波纹管的工装，但工装的载荷、行程、压力和间隙等应与实际的波纹管阀门相同。

型式试验前先完成1.5倍设计压力的强度试验。

型式试验应从每一基本设计和材料中随机抽取至少3台试验，最短寿命不低于表1规定。

试验温度为常温，试验压力为常温时材料规定的工作压力。

寿命试验结束后用0.6MPa的空气试压，波纹管及其连接接头进入水中，观察是否有气泡产生。

或用氦气检漏仪器测试，其泄漏率不大于10-6cm3/s。

2.2.2 产品试验每台波纹管阀门除正常的阀门试验外，还必须使用氦气检漏仪器测试，其泄漏率不大于10-6cm3/s。

3 波纹管的选择波纹管阀门设计时，合理选用波纹管是决定阀门质量的关键。

选用时应考虑波纹管材料、阀门使用寿命、工作压力和工作温度等的影响。

波纹管截止阀使用说明书浙江玉鹏阀门有限公司1、前言1.1感谢您选用了本公司的波纹管截止阀。

阀门作为承压设备的一类，具有潜在的压力危害和因发生介质泄漏而产生爆炸性气体。

从安全的角度出发，用户使用前应阅读本说明书。

2、PED/ATEX基本健康及安全要求和解决方案2.1纽威设计思路：——波纹管截止阀作为一种常规阀门，因其用途广泛，没有考虑每种特定工况；——此类波纹管截止阀是作为标准产品按BS1873、API602设计,并按ASME B16.3 4的温压等级规定具有足够的强度。

——根据不同种类介质的腐蚀和磨损，按API600规定阀门有着不同的密封面材质；——本波纹管截止阀不含有轻金属（例如镁），所有零件均有导电性并连接在一起阻止燃烧源。

——根据阀门的尺寸、扭矩和操作要求，有手轮驱动、齿轮驱动或电动驱动等。

2.2用户注意事项2.2.1总则2.2.1.1在任何情况下，首先保障人员的安全；2.2.1.2应根据ASME B16.34的温压等级使用此阀门；2.2.1.3应保证所选材质能抵抗介质的腐蚀和磨损；2.2.1.4当介质为易燃易爆时，应限制工作温度；2.2.1.5在维修/保养过程中，应保证阀门总处在卸压、放空和排干状态；2.2.1.6对于动力驱动阀门，在任何操作前应保证动力系统(电、气、液)断开；2.2.1.7在维修/保养过程中，应采用适当防护，如防护服、氧气罩、手套等；2.2.1.8在维修/保养过程中，在现场，不能吸烟，不经正确的工作许可不能使用明火；2.2.1.9阀门必须定期检查；——螺栓/螺母连接是否紧固(体/盖、压板、法兰连接)；——腐蚀/磨损危害（撞击、点蚀、厚度的减小）；——弄清阀门是处于全开/全关位置。

2.2.2细节危害防范措施意外的与危险的介质接触原因：垫片或填料失效1.参见2.2.12.在失效后立即更换垫片或填料(须用正确/合适的材料)在拆卸/保养时意外地与危险介质接触1.参见2.2.12.在从管线上拆下后,打开或关闭阀门,以保证腔体的卸压;3.排出残留流体或在拆卸前采用适当的装置.因与危险介质或爆炸和火源接触而造成阀体的结构屈服1.参见2.2.12.采用防范以避免额外的力作用于阀门;3.必要时安装防范装置以绝对避免水击现象发生(例如:闸、缓冲装置);4.避免将过大的振动传到阀门;5.避免温度和/或压力的突变意外的与高温或低温零件接1.参见2.2.12.预先在阀门上安装适当的绝缘体;触 3.在可能发生灼伤的危险处装上警示牌;4.对于高/低温装置,只装配具有高温或低温加长的阀门;易燃介质的燃烧和爆炸1.参见2.2.12.在使用区域里只安装防爆电装置;3.在使用区域里维修保养时应切断所有电源;氧气介质的爆炸1.参见2.2.12.在使用区域里只安装防爆电装置;3.只采用完全脱油脱脂的阀门;4.只采用适合于氧气介质的材质(见EN1797-1)*危险介质包括:有毒的、腐蚀的、易燃的、高温或低温介质等3.用途和技术性能3.1用途波纹管密封阀门是当今世界新兴的一项全新技术.它的问世,扩大了阀门的使用范围,特别适用于易燃、易爆和有毒等危险介质管系以及对环境保护更为严格的场合；本系列阀门主要用于石油、化工、电站等行业中，切断或接通管路，从而使系统正常运行；随着核工业的发展，在放射性原料的处理中波纹管密封阀门都是首选佳品，具有深远的社会效益。

RCC-M 核1级手动波纹管截止阀的设计摘要介绍了波纹管截止阀的工作原理、结构特点，设计参数及具体的设计方法。

关键词 RCC-M；核一级；波纹管；截止阀1工作原理波纹管截止阀采用波纹管密封技术，通过阀体、阀盖、阀杆及波纹管组件形成一个密封空间，避免介质接触到阀杆处的填料。

因此可以保证阀杆处的零泄漏，避免介质对周边环境的不利影响。

具有更高的安全性，及减少维修次数，降低运营成本的优点。

2设计分析核1级波纹管截止阀安装在RCP反应堆冷却剂系统，起到联通和切断管道的作用。

由于冷却剂具有非常高的放射性，所以核电厂对此阀门的密封性要求非常高。

长期以来，此阀门一直依赖于国外进口，如KSB公司和VELEN公司等。

为了打破国外产品的技术垄断，我公司决定开展此阀门的国产化工作。

通过借鉴国外产品的结构特点，同时依托我公司长期积累的截止阀设计经验。

为了满足技术规格书里的相关密封要求，考虑阀杆处低泄漏的设计需要，此阀门采用波纹管和填料的双重密封形式。

由于波纹管的特殊性和重要性，我公司与国内著名的波纹管制造厂家（沈阳仪表科学研究院）合作，共同完成波纹管密封结构的设计工作。

通过波纹管截止阀的型式试验，验证阀门的密封性，同时也验证了国产波纹管的性能。

3设计参数依据用户提供的技术规格书，摘录出阀门的主要设计参数，详见表1表14结构设计（结构图见图1）图1⑴阀门的内部密封采用典型的锥面密封形式，具有密封效果好、自清洁的特点。

并且阀体及阀瓣均堆焊钴基硬质合金，高温环境下具有强度高，耐冲蚀特性，极大的延长了阀门的使用寿命。

⑵阀杆与阀瓣设计成球面配合结构，在阀瓣下降关闭过程中，阀瓣具有一定万向性，从而保证阀瓣与阀体的同轴性。

⑶由于阀门的公称通径较大DN50，所以阀体与阀盖间采用传统的中法兰、螺栓、垫片的密封形式。

通过止口的公差来控制垫片的压缩量，严格的满足图纸要求。

根据阀门的设计参数及抗震载荷精确计算出螺栓的预紧力矩，通过力矩扳手，准确、多次、均匀地施加在螺母上，从而实现整体结构的最佳密封状态。

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核级阀门规范标准介绍一、国际核电规范体系简介I、国际主要核电标准体系：、国际主要核电标准体系：ASME（美国） RCC－M（法国）ПНА□Г（俄国） CSA（加拿大） JIS （日本） DIN （德国）一、国际核电规范体系简介II、ASME体系介绍：、体系介绍：体系介绍一．概述《ASME规范》是最为广泛，内容最为详尽的一部关于锅炉及压力容器规范。

其制订的目的在于提供控制设计．制造和检验等质量的有关规则。

于1914正式颁发以来，六十年代开始，每三年修订一次，中文版最新为95版。

一、国际核电规范体系简介二、“ASME规范”的总体结构和内容至最新的1995年版形成了共十一卷二十二册的规范，按次序列表如下：第Ⅰ卷动力锅炉第Ⅱ卷材料技术条件第III卷核动力装置设备NCA分卷―第一册及第二册的总要求第Ⅳ卷采暖锅炉一、国际核电规范体系简介第Ⅴ卷第Ⅵ卷第Ⅶ卷第Ⅷ卷第Ⅸ卷第Ⅹ卷第Ⅺ卷无损检验采暖锅炉维护和运行的推荐规程动力锅炉维护推荐规程压力容器焊缝及钎焊评定玻璃纤维增强塑料压力容器核动力装置设备在役检查规则一、国际核电规范体系简介三、第Ⅲ卷核动力装置设备NCA分卷总的要求(包括第一册和第二册) 第一册 NB分卷一级设备 NC分卷二级设备ND分卷三级设备 NE分卷 MC级设备 NF分卷设备支承结构 NG分卷堆芯支承结构附录第二册混凝土反应堆容器及安全壳规范一、国际核电规范体系简介III、法国“RCC－M”规则一、概述于1980年首次发布，目前最新版本为2000年版。

“RCC－M”规则是借鉴于ASME“锅炉压力容器规范”第三卷“核动力装置设备”的NB， NC，ND，NG和NF分卷的有关内容，同时吸收法国在核电工业发展实践中的积累的经验和成果而制订出来的。

一、国际核电规范体系简介二、“RCC－M”规则的组成和特点“RCC－M”规则的全套共分五卷十二册：第Ⅰ卷A册总论 B册 1级设备 C、D册 2、3级设备 G、H册堆内构件、设备支承件 Z册技术性附录一、国际核电规范体系简介第Ⅱ卷M册 (第一部分上) M册 (第一部分下) M册 (第二部分上) M册 (第二部分下) 非合金钢合金钢不锈钢特殊合金钢及其它材料第Ⅲ卷第Ⅳ卷第Ⅴ卷MC册检验方法 S册焊接 F册制造一、国际核电规范体系简介IV、其它国外规范、标准体系简介、其它国外规范、一、俄罗斯ПНА□Г规范简介：俄罗斯的“核动力装置的设备、管道的设置及安全运行规范”（ПНА□Г-7-008-89），包括以下12个方面： 1、总则 2、结构 3、材料 4、制造和安装一、国际核电规范体系简介5、水压（气压）试验6、对装在设备和管道上的阀门、监测仪表的要求7、设备和管道金属状态的在役检查总的要求8、登记注册和技术鉴定9、设备和管道运行的一般要求 10、对执行本规范的监督 11、对事故、故障和不幸事件的调查 12、结论一、国际核电规范体系简介二、加拿大的CSA标准：加拿大对核级设备制定有CAN/CSA N285.095，1995“CANDU 核电厂承压系统和部件的通用要求”的标准。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
核一级截止阀的抗震分析
应用有限元法的数值仿真手段，模拟包括地震在内的各种载荷作用，
通过等效静力法对核一级截止阀进行应力分析，然后根据ASME 规范对各主要部件进行应力评定和强度校核，确定了阀门各部件结构在极限安全地震条件下
满足强度要求，能够保证压力边界的完整性。

1、概述
核级阀门作为核电站中重要的安全设备，要求能承受核电厂寿命期内的
使用载荷和地震载荷，并能保持压力边界完整和不丧失功能。

因此，在设计核
安全级阀门样机时必须要进行应力计算和抗震分析。

本文根据EJ/T 1022.14-1996 和EJ/T1022.15-1996 及有关规定对核一级截止阀进行力学计算。

采用Hyperworks 有限元分析软件包进行地震载荷下应力分析评定。

2、结构和参数
截止阀主要由阀体、阀瓣、阀盖、阀杆、锁紧螺母、阀杆螺母和手柄等
部件构成(3、模型建立及模态分析
(1) 简化模型
核一级截止阀尺寸小，质量轻，但内部结构和压力边界部分几何形状复
杂，为了保证有限元计算的有效性和合理性，建立截止阀的计算模型时，对结
构和力学模型做一些必要的简化。

①简化对整个结构的应力没有影响的垫片和倒角。

②10 种型号的截止阀进行有限元分析时，阀座的底端及螺栓孔处的节点
6 个自由度全被约束(X，Y，Z 方向的移动和X，Y，Z 方向的转动) 。