1、概述

　　隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，核能作為清潔能源已得到世界各國的公認(rèn)，并爭(zhēng)相發(fā)展。我國出臺(tái)的有關(guān)能源規(guī)劃表明，從2010~2020年，中國將新建核電站31座，核電裝機(jī)容量達(dá)到4000萬kW，核電比重由現(xiàn)在的1.69%提升到4%。這也標(biāo)志著核電將在中國未來的電力發(fā)展中扮演更重要的角色。閥門是核電裝置中的安全附件之一，其作為流體介質(zhì)管路傳輸中的重要控制設(shè)備，功能性是否滿足要求直接關(guān)系到整個(gè)核設(shè)施的安全。本文以用于中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)的核安全2級(jí)鈉截止閥(DN40-T形、DN40-Z形)和止回閥(DN40-T形)為例，介紹該產(chǎn)品壽命試驗(yàn)和抗地震試驗(yàn)的方法。

2、參照標(biāo)準(zhǔn)

　　CEFR的核安全2級(jí)鈉截止閥(DN40-T形、DN40-Z形)和止回閥(DN40-T形)在制造過程中遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范如下。

　　ASME BPV-Ⅲ-1-95ND級(jí)設(shè)備

　　ASME BPV-Ⅱ-95材料技術(shù)條件

　　ASME BPV-Ⅴ-95無損檢驗(yàn)

　　HAF 0902-95民用核承壓設(shè)備無損檢驗(yàn)人員培訓(xùn)、考核和取證管理辦法

　　GB 9115.1-GB9115.26-88對(duì)焊鋼制管法蘭

　　GB 12221-2005金屬閥門結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度

3、試驗(yàn)

3.1、壽命試驗(yàn)

　　核級(jí)閥門設(shè)計(jì)使用壽命為40年。閥門按EJ/T 1022.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了機(jī)械磨損、熱老化和輻照老化等相關(guān)試驗(yàn)。

　　(1)機(jī)械磨損試驗(yàn)

　　機(jī)械磨損試驗(yàn)是驅(qū)動(dòng)裝置加載情況下(相當(dāng)于與閥門連接帶動(dòng)閥門開或關(guān)時(shí)所受到的力)，經(jīng)2000次循環(huán)動(dòng)作試驗(yàn)。試驗(yàn)后，驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

　　(2)熱老化試驗(yàn)

　　熱老化試驗(yàn)是試驗(yàn)過程中，驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)過2000次連續(xù)循環(huán)操作，并在加載情況下進(jìn)行。驅(qū)動(dòng)裝置置于干燥空氣中加熱至135℃，試驗(yàn)950h。

　　(3)輻照老化試驗(yàn)

　　輻照老化試驗(yàn)前，驅(qū)動(dòng)裝置在加載情況下，完成所要求的機(jī)械磨損老化試驗(yàn)操作循環(huán)次數(shù)的5%。輻照試驗(yàn)在干空氣中進(jìn)行，溫度為70±3℃，γ射線累計(jì)輻照劑量為250kGy。輻照試驗(yàn)前，閥門應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、密封性能符合要求。輻照試驗(yàn)后再重復(fù)進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)和密封試驗(yàn)等，其結(jié)果應(yīng)和輻照前保持一致。

3.2、抗地震試驗(yàn)

　　抗地震試驗(yàn)是為滿足核電站閥門設(shè)備的需要，按照IEEE 344、GB 136255核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震鑒定6和HAFJ 0053《核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南》的要求進(jìn)行。抗震試驗(yàn)的項(xiàng)目有測(cè)試閥門的自震頻率與阻尼比、五次OBE地震反應(yīng)考核試驗(yàn)、一次SSE地震反應(yīng)考核試驗(yàn)和性能試驗(yàn)。

　　模擬地震振動(dòng)臺(tái)的震動(dòng)方向?yàn)閄、Y、Z三方向六自由度，最大加速度為X方向=±4.0g、Y方向=±2.0g、Z方向=±4.0g。頻率范圍為0.1～100Hz。

　　試驗(yàn)時(shí)，樣機(jī)閥門安裝在剛性底座上(圖1)，剛性底座與振動(dòng)臺(tái)面之間采用螺母固定。與閥門垂直方向?yàn)檎駝?dòng)臺(tái)激勵(lì)的X方向，與此垂直的方向?yàn)閅方向，豎向?yàn)閆方向。

圖1 Z形鈉截止閥安裝在地震試驗(yàn)臺(tái)上

　　(1)動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)

　　閥門進(jìn)出口方向(Y向)的固有頻率為24.42Hz，在垂直于進(jìn)出口方向(X)的固有頻率為13.66Hz，在垂向(Z)的固有頻率74.70Hz。

　　(2)OBE地震試驗(yàn)

　　5次OBE試驗(yàn)中，臺(tái)面X、Y、Z方向輸入速度加速度為圖2所示(在此僅以X方向?yàn)榇��?加速度曲線的0.65倍，其中任意兩條曲線的相關(guān)系數(shù)均小于0.2，且強(qiáng)震部分大于10s，三方向幅度幅值分別為0.709g、0.741g和0.676g，大于對(duì)應(yīng)的要求譜的零周期加速度0.49g、0.59g、0.52g。圖3給出了X方向加速度輸入的時(shí)程反應(yīng)譜與要求反應(yīng)譜(試驗(yàn)設(shè)定譜)的包絡(luò)情況(OBE的譜值為圖示譜值的0.65倍)，臺(tái)面加速度的反應(yīng)譜能完全包絡(luò)要求的反應(yīng)譜。5次OBE試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果有很好的重復(fù)行。

圖2 SSE地震試驗(yàn)Z方向臺(tái)面射程

1.測(cè)量值 2.理論值

圖3 SSE地震試驗(yàn)Z方向臺(tái)面加速度時(shí)程反應(yīng)譜對(duì)要求譜的包絡(luò)

　　第5次OBE試驗(yàn)中閥體上部法蘭處的加速度響應(yīng)示于圖2，加速度的最大幅值列于表1中。由圖可見，支撐法蘭處加速度計(jì)在閥門開的過程中受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，曲線上有接近于9s的時(shí)間段響應(yīng)幅值較大。在試驗(yàn)中第5次OBE試驗(yàn)中閥體驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)上部的加速度時(shí)程示于圖4，加速度的最大幅值列于表1中。

表1 OBE和SSE試驗(yàn)中加速度測(cè)量結(jié)果

圖4 第5次OEB試驗(yàn)閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部加速度

(上至下分為X，Y，和Z向)

　　5次OBE試驗(yàn)中閥門的最大應(yīng)力分別為19.8MPa、21.32MPa、21.72MPa、21.41MPa和21.56MPa，出現(xiàn)在閥門的閥體支撐懸臂的根部(應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1)。每次OBE試驗(yàn)中閥門均能在9s內(nèi)完成開關(guān)操作，未發(fā)現(xiàn)泄漏。

　　(3)SSE地震試驗(yàn)

　　SSE試驗(yàn)中臺(tái)面的X、Y、Z三向地震時(shí)程以X向?yàn)槔�如圖2所示，它們的反應(yīng)譜與各自要求反應(yīng)譜的包絡(luò)情況見圖3，三方向加速度幅值分別為1.09g、1.14g和1.04g，大于對(duì)應(yīng)的要求譜的零周期加速度0.76g、0.91g、0.80g。臺(tái)面加速度的反應(yīng)譜完全包絡(luò)要求的反應(yīng)譜。三方向臺(tái)面加速度的功率譜密度(PSD)見圖5，它們均能包絡(luò)由對(duì)應(yīng)的要求反應(yīng)譜計(jì)算得到的PSD80%的曲線。閥體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上部的加速度幅值見表1。閥體支撐懸臂根部最大應(yīng)力為44.00MPa。

圖5 SSE地震試驗(yàn)Y方向臺(tái)面輸入加速度PSD

　　試驗(yàn)中和試驗(yàn)后閥門均能在9s內(nèi)完全開關(guān)操作。閥體結(jié)構(gòu)未見損壞。試驗(yàn)后對(duì)閥門在1.2MPa壓力下保壓15min，未見任何泄漏，密封完好。閥門的外觀檢查未見變形損壞。

　　(4)試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)后閥門結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性Y向的固有頻率為23.68Hz，X向固有頻率13.66Hz，在垂向Z的固有頻率為75.47Hz。

3.3、其他試驗(yàn)

　　在試驗(yàn)的質(zhì)量檢驗(yàn)工作中進(jìn)行了材料成分、機(jī)械性能，沖擊韌性、焊接、熱處理、無損檢驗(yàn)、外觀和尺寸等檢驗(yàn)，及殼體水壓試驗(yàn)和密封試驗(yàn)，防腐蝕、清洗和清潔度保持等系列工作。

4、結(jié)語

　　CEFR的核安全2級(jí)Z形鈉截止閥經(jīng)過2000次循環(huán)動(dòng)作試驗(yàn)、老化試驗(yàn)和輻照試驗(yàn)符合要求。抗地震考核試驗(yàn)結(jié)果表明，按照中國原子能院提供的樓層反應(yīng)譜進(jìn)行的5次OBE地震反應(yīng)考核試驗(yàn)和1次SSE地震反應(yīng)考核試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中X、Y、Z三方向的臺(tái)面加速度反應(yīng)譜，包絡(luò)了試驗(yàn)要求的反應(yīng)譜。在所進(jìn)行的OBE和SSE地震反應(yīng)考核試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)結(jié)束后，樣機(jī)外形結(jié)構(gòu)及外觀沒有裂紋，支耳和驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)正常，配對(duì)法蘭及法蘭配件(螺釘、螺母及墊片)沒有松動(dòng)或脫落等不正常現(xiàn)象。核級(jí)閥門(樣機(jī))在設(shè)計(jì)使用壽命期限內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性能符合要求。對(duì)于類型相同，尺寸小于經(jīng)過抗地震試驗(yàn)(抗震指標(biāo)相同)的閥門可以沿用此試驗(yàn)結(jié)果。另外同等類型尺寸一致的閥門，如果已經(jīng)過抗地震試驗(yàn)，并且其抗震指標(biāo)要求低，可進(jìn)行對(duì)照分析，也同樣可借薦使用，以減少經(jīng)費(fèi)投入。