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1、核电阀门设计规范的应用及分析李军业 , 蒋 琦(中核苏阀科技实业股份有限公司 , 江苏 苏州 215001)摘要论述了按 A SM E B PV C2 规范进行核电阀门设计时应注意的问题 , 如最小壁厚计算 、应力计算与抗震分析 、许用应力的选取和无损检测要求等 , 并就规范没有明确规定的内容提出了 可行的解决方案 。关键词 核电阀门 ; 设计 ; 应力分析 ; 许用应力 ; 无损检测中图分类号 : TH134文献标识码 : ADesign of nuclear po wer valvesL I jun2ye , J IAN G Qi( SU FA Technology Indust ry C
2、o . , L t d. CNNC , Suzhou 215001 , China)Abstract : Briefly int ro ducing so me aspect e . g. t he calculatio n of t he minimum bo dy wall t hickness ,t he st ress calculatio n and anti2eart hquake analysis ,t he selectio n of allowable st ress and t he require2ment s of no2dest ructio n examinatio
3、 n etc. during t he design of nuclear valves per A SM E B PV C2 ,and exp ressed perso nnel opinio ns o n so me aspect s t hat are not clearly defined in t he specificatio n .Key words : nuclear valves ; design ; st ress analysis ; allowable st ress ; ND E requirement s1引言美 国 A SM E 锅 炉 和 压 力 容 器 规 范
4、 第 卷 (A SM E B PV C2 ) 核动力装置部分包含了核电阀 门 的 设 计 规 定 , 其 中 NB23500 、N C23500 、ND23500 规定了核电阀门的设计规范 , NB 、N C 和 ND分卷分别针对一级 、二级和三级设备 。2一级设备NB23500 规定了一级阀门的设计和应力分析规 范 。于阀体基本内径的定义 。当阀门口径 N PS 4 时 , 常规形状的阀门可按 “标准设计规则”进行设计 , 按 “标准设计规则” 须满足 NB23530NB23550 规定的要求 , 同时对阀 门的形状规则都有具体的限制 (按 NB23544) 。211阀体应力分析NB2350
5、0 根据压力面积法确定阀体交叉部位的 一次薄膜应力 Pm , 按 Tresca 方程计算 , 得A f+ 015 Ps S mPm =A m当阀门口径 N PS 4 时 ,可按 A SM E B16134式中的 Ps 为标准计算压力 , 其数值不一定就是设计压力 , 它是根据 A SM E B16134 阀门温压曲 线表查取的对应于 500 和阀门压力额定值等级数 (例如 1500 磅级) 下的最大允许工作压力 。而式中的 S m 为按 A SM E B PV C2 2D21 表 2A 和表 2B 中 材料在 500 的设计应力强度值 。阀体还需按下式进行二次应力的计算S n = Q p +
6、Peb + 2 Q T3 3 S m式中的压力都为标准计算压力 Ps 。的方法进行设计 。但应注意在壳体壁厚的计算时 ,NB23500 对阀体基本内径 d m 的定义为临近焊端区 域的阀体内径较大者 , 而 A SM E B16134 规定的阀 体基本内径为流道的最小直径 , 但不得小于阀体端 部基本内径的 90 % 。此内径的定义同样应用于口 径 N PS 4 的一级阀门的壳体壁厚计算中 。两种定 义的区别意味着按 B16134 阀体最小壁厚的要求设 计的阀门不能认为就自动符合 NB23500 要求的阀 体最小壁厚 。但对于二级和三级阀门的壳体最小壁启和关闭循环 , 并要求阀门在循环载荷下合
7、格。NB23525 、3526 、3527 提出了 A 、B 、C 和 D 4 种载荷限制 , 设计规范书可对载荷限制提出具体要 求 。A 级和 B 级仅允许阀门在弹性范围内 , C 级和用 631 制造 。规范明确了 630 的最高使用温度为650 / 343 , 应注意其温度限制 。A SM E B PV C2 明确规定中法兰螺栓是承压螺栓 , 但没有规定填 料螺栓是否为承压螺栓 。按作者对规范的理解 , 填 料螺栓可以作为非承压件 , 可按 NB2354613 设计计算 。因为核装置承压螺栓越来越多地采用 630 材 料 , 特别是主体材料为不锈钢时 。这种材料的螺栓 不容易采购到标准件
8、 , 一般都是制造厂自己生产 , 所以成本很高 , 如果能采用其他容易采购的材料但 同时又满足规范的要求 , 则可以降低成本 。215 设计应力强度值承压件的设计应力强度值按 A SM E B PV C2 2D21 表 2A/ 2B 的规定选取 。 承压螺栓的设计 应力强度值按 A SM E B PV C2 2D21 表 4 的规定选 取 。 强度失效理论为最大剪应力理论 , 某一点的最大剪应力等于该点 3 个主应力中代数最大值与最 小值之差的一半 ( NB23212) 。3 二级设备和三级设备一般情况下 , 二级和三级设备用的阀门符合A SM E B16134 的要求 , 同时也能满足 N
9、C23500 和ND23500 的 要 求 。承 压 件 的 最 大 许 用 应 力 值 按A SM E B PV C2 2D21 表 1A/ 表 1B 的规定选取 ( 表1) , 承压螺栓的许 用 应 力 按 A SM E B PV C2 2D21表 3 的规定选取 (表 2) 。4 抗震计算有抗震要求的核电阀门都要求能通过抗震计 算 。对抗震 1A 类 (能动) 阀门 , 要求其在 SL 2 发 生时仍能保持压力边界的完整性 、以及可操作性 。 对于抗震 1 I 类 ( 非能动) 阀门 , 仅要求其在 SL 2 下能保持其压力边界的完整性 。A SM E B PV C2 中没有明确给出抗震
10、计算的细节 。核电阀门通常都要 求阀门延伸结构的一阶自振频率 33 Hz ( 地震的 频率一般 33 Hz) , 即要求为刚性阀门 , 并检验轴 最大偏移量是否符合要求 。自振频率的计算可采用 Rayleigh 法 。也可采用有限元分析法计算阀门的自振频率 , 以便获得更加准确的结果 。同时 , A SM E B PV C2 要求对阀门的危险截面 如阀体颈部 、中法兰螺栓截面 、阀盖颈部 、支架根 部等进行抗震计算 。对于刚性阀门即自振频率 33Hz 的阀门 , 通常可采用等效静力法进行计算 , 即假定地震加速度为 ZPA ( 零周期加速度) 并作用 于延伸结构的重心上 , 并与设计压力 、操
11、作力等进 行叠加 , 对危险截面进行抗震分析 。D 级则允许产生塑性现象 ,塑性 。212阀体2阀盖连接D 级甚至允许很明显的根据 NB2354611 ,如果阀体2阀盖采用螺栓连接时 , 采用 XI23000 的方法进行设计和计算 。如果阀体2阀盖的连接不是螺栓连接方式 ,条件进行设计 。设计压力等于标准计算压力 。设计温度为标准计算温度 。则应按下列热应力基于最严重工况考虑 ,为 37178 / h 。假定温度梯度基于上述工况的至少 2 000 次循环的疲劳寿命 。213主要零部件根据 NB2354612 , 阀瓣作为承压边界考虑 , 一 次薄膜应力不超过 S m , 一次弯曲应力不超过 1
12、15S m 。阀杆及其他重要的受力零件失效会导致压力边 界完整性的破坏 。根据 NB2354613 , 其设计以常温 下最大允许工作压力和附加载荷计算的一次应力不 超过 S m 为原则 , 当不选用 A SM E B PV C2 2D21 表2A/ 表 2B 中的材料时 , 以不超过屈服强度的 2/ 3或抗拉强度的 1/ 4 中的较小值为原则 。A SM E B PV C 规范对于承压零件种类有明确的 定义 , 如压力容器的壳体 、顶盖和喷嘴 , 管道和管件 , 阀门的体 、盖和阀瓣 , 泵的壳体和盖 , 承压螺栓等零部件为承压零件 。而阀座 、阀杆 、填料和垫 片都属于非承压零件 。承压零件
13、必须采用 A SM EB PV C2 2D21 表 2A 和表 2B 中的材料制造 , 而非承压零件的材料没有强制要求 。对安全阀的阀瓣和 喷嘴 、控制阀的阀瓣和套筒及进口尺寸 N PS 2 的管线阀门的阀瓣 , 其零部件的材料不作强制性要 求 。核电阀门的阀杆和承压螺栓越来越多地采用沉 淀硬化钢制造 , 如 A SM E SA2564 (棒材) / SA2705 ( 锻 件 ) 中 的 630 ( 0Cr17Ni4Cu4N b ) 以 及 631 (0Cr17Ni7Al) 。631 并没有列入 A SM E B PV C 规范 当中 。因为阀杆不是作为承压件 , 可以使用 631 制 造但承
14、压螺栓如中法兰螺栓的材料按规范不能使表 1材料的许用应力M Pa常温下设计应力强度值1 级常温下最大许用应力值2 级和 3 级抗拉强度屈服强度材料M PaM Pa482134471948213413144471948213482134131451618620115851746416482134271244719160151491516015137181491516015160151371817213206171953211816015-11511137181281213718117181281213718137181171814715177111671427516137181151111511
15、A105/ WCB/ L F2L CBL CC/ WCC/ L C2/ L C3L F1L C1WC 6/ WC9F11 2 级F22 1 级F22 3 级C5F6a 2 级17 - 4 P H/ H100 级L F3CN7 M F316L / F304LCF3 M/ CF8 M/ F316/ F304/ CF3/ CF8/ CF8C/ F3212482411227516206172411227516275162061731011413143797921425814172131721348213206171371813718表 2螺栓材料的许用应力M Pa常温下设计应力强度值1 级常温下最大许
16、用应力值2 级和 3 级直径范围 d抗拉强度屈服强度螺栓材料材料等级in .M PaM Pa215 d 4d 215215 d 4d 215d 8792148611375719861139641651618516186541672315654167231579214206172061721814241122181424112263196819 ( sol1t reat)6819 ( sol1t reat)15815172131511617213192191291512915B7B7B16/ H 1 100B1617 - 4 P H B8B8MH1100 级1 级1 级 B6 d 4 75719
17、 58517 195 14611 表 4 二级设备承压铸件要求的检查( 参照表 NC2257121)一般而言 , 需适当增加中法兰厚度和中法兰螺栓有效截面积 , 以及增加支架的强度和刚性 , 才能 通过抗震计算 。5无损检验要求A SM E B PV C2 对 阀 门 承 压 件 的 无 损 检 验(ND E) 提出了明确的规定 。表 3 、表 4 和表 5 分 别列出了一级 、二级和三级设备的承压铸件 ( 阀尺寸ND E 要求N PS 22 4体 、阀盖和阀瓣)有关部分) 。的 ND E 要求 ( 仅列出了与阀门表 5 三级设备承压铸件要求的检查( 参照表 ND2257121)表 3 一级设
18、备承压铸件要求的检查( 参照表 NB2257121)尺寸ND E 要求N PS 2N PS 2无要求 ,但 ASM E B16134 特殊级阀门除外无要求 ,但 ASM E B16134 特殊级阀门除外尺寸ND E 要求N PS 22 4注 : M T 磁粉检验 , P T 渗透检验 , R T 射线检验 , U T 超声2 表表选取并乘以铸造质量因子 ( 参见ND23115) 。有 时 为 了 设 计 和 应 力 分 析 的 标 准 化 ,便于管理 , 以及确保核电阀门的毛坯质量 , 对于三 级设备 , 设计时也会按二级设备提出 ND E 要求 。核电阀门承压铸件的补焊应按规范进行无损 检验
19、 。不是设计压力进行计算 。以及 A SM E B PV C 规范中没有明确非核级阀门的许用应力如何选取 , 或遵 循什么准则 , 一种比较容易理解和接受的方法似乎 是按 MC 级设备选取 ( MC 级设备的许用应力值为 A SM E B PV C2 2D21 表 1A/ 表 1B 数值的 111 倍) ,但是对于承压铸件 , 因为 MC 级设备的承压铸件按 规范均有 R T 要求 , 而非核级承压铸件一般没有 R T 要求 , 所以应当乘以铸造质量因子以作为非核 级承压铸件的许用应力值 。对于承压锻件和承压螺栓/ 螺母 ,明确了 ND E 要求 。6结语规范中同样本文概述了核电阀门在设计中应
20、注意的一些问题 , 有的章节如应力计算和抗震分析等限于篇幅不 能详细说明 , 但作为规则法和等效静力法的计算准则和公式均在 A SM E B PV C 规范中有较详细的说明 。同时 A SM E B PV C 规范中有些计算准则还存 在某些争议 , 如在计算一级设备的壳体壁厚时 , 采 用了与 A SM E B16134 不同的基本内径的定义 , 计算阀体一次应力 、二次应力时采用标准计算压力而参考文献12ASM E B PVC 规范22001 , 第 卷 S.美J . L . 莱昂斯. 阀门技术手册 M. 北京 : 机械工业出版社 , 1991 年.杨 源 泉. 阀 门 设 计 手 册 M
21、. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,1992 .( 收稿日期 : 2005103114)3( 上接第 6 页)4研制在样机的试制过程中 ,题 ,使组件的整体性能满足使用要求 。5试验根据产品检验与试验大纲, 对法兰青铜波 纹管截止阀进行了壳体强度水压试验 、液压密封试验 , 无泄漏 。对波纹管组件的疲劳寿命试验考核到9 100 次 。2003 年 3 月 , 经 委 托 国 家 级 权 威 检 测 机 构 “机械工业通用机械产品检测所”下属 “机械工业阀门 产 品 质 量 监 督 检 测 中 心 ”, 根 据 GB/ T 58721993 、GB 600291 和 J B/ T 90
22、9221999 等标准 , 对样 机进行了整机性能试验 。在模拟阀门实际工作状况下 , 经过 5 000 次的开关试验后 , 波纹管组件完好无损 。阀门性能及各项指标值达到设计要求 。6结语法兰青铜截止阀加装波纹管防泄漏研究 , 不但 填补了我国没有法兰青铜波纹管截止阀这一空白 ,而且在关键技术 铜材质波纹管组件制造上取得了突破 。经国家级权威部门检测认定 , 该阀门完全 可以替代 GB/ T 58721993 法兰青铜波纹管截止阀 。该项目产品不但解决了阀门存在的外漏问题 , 而且符合清洁环境的要求 , 同时节省了大量的维护费主要有阀体铸造 、波纹管成型和波纹管组件焊接等关键技术和难点 。(
23、1) 阀体铸造传统的 GB/ T 58721993 型号的阀门 , 阀体和阀盖采用砂型铸造 , 阀体的外观 、铸造外型精度和内腔光洁度等很难达到设计与使用要求 。经过多次试验与改进 ,锡青铜阀体采用了硅形状和光洁度等精度溶胶精密铸造 ,得到提高 。使铸件外观 ,(2) 波纹管成型由于对波纹管的特殊要求 ,市场上很难购买 。研制过程中 , 设计了专用的管坯模具和波纹管成型模具 , 编制了专用工艺 , 经多次 变径和旋转 , 最终成型 。由于管坯的旋拉和变径次数多 , 因此对铜管坯的热处理要求严格 , 否则铜管坯成型率低 。通过热处理工艺和模具的不断改进 ,目前波纹管的成品合格率达到较高水平 。(
24、3) 波纹管组件焊接由于锡青铜熔点低 , 铜 材质波纹管焊接一般采用钎焊 , 但焊后组件的强度 、使用温度都不能满足使用要求 , 焊接合格率较 低 。利用氩气保护焊熔层深 , 焊后熔合好 , 焊缝强 度高的特点 , 可以很好解决以上问题 。但此种焊接技术在铜材焊接应用中尚存在一定的焊接工艺方面的问题 。在研制过程中 , 通过大量的试验和理论分 析 , 总结出一套切实可行的焊接工艺方案 , 并且设 计制造了专用焊接转胎和专用焊枪 , 对焊机也进行 了改进 很好的解决了焊缝不均匀 、封不住口等问用 ,具有较好的推广前景 。参考文献123GB/ T 587 - 1993 , 船用法兰青铜截止阀 S.GB/ T 600 - 1991 , 船用阀件通用技术条件 S.JB/ T 9092 - 1992 , 阀门的试验与检验 S.(1 1)file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56
