為滿足核電廠電氣貫穿件壓力監控系統的密封性，采用一體式結構設計滿足規范要求的閥門組件，并基于有限元分析方法，應用ANSYS進行力學分析計算評定，同時通過設計驗證試驗驗證了組件的密封性能。

1、概述

　　核電廠安全殼電氣貫穿件是安裝在反應堆安全殼上用于各種線纜貫穿反應堆安全殼的專用電氣設備，需具備壓力邊界的完整性、電氣連續性和密封可靠性，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為對核電廠的安全運行至關重要。電氣貫穿件閥門組件是電氣貫穿件中與密封性能密切相關的重要部件之一，安裝在電氣貫穿件的筒體組件與筒體內部連通的一側端板上，主要起監測電氣貫穿件筒體組件內部壓力的作用。通過壓力監測值的變化，可以有效監控電氣貫穿件的密封性能。

2、分析

　　現有的電氣貫穿件閥門組件一般由不銹鋼壓力表、三通閥門、三通接頭以及引壓管等部件構成，各部件通過可拆卸式卡套連接實現連接處的密封。現有的閥門組件存在著不能滿足使用要求的問題，需要改進。

　　(1)連接接頭多，導致組裝和檢測工作量大。

　　(2)結構不緊湊，一階自振頻率較低。

　　(3)現有的卡套連接結構，要求加工精度高，批量生產效率低。

　　(4)支撐組件與貫穿件端板的連接需要配制，其工作效率低。

　　(5)整套閥門組件的各零部件均采購國外產品，組裝的閥門組件成本高。

　　針對分析的結果，借鑒已成功使用的一體式閥門結構，將閥門、壓力表和三通接口設計于一體，實現結構緊湊、連接接頭少、抗震性能好、生產效率高及產品成本低的閥門組件。該組件現已獲國家專利(專利號ZL201220136941.4)。

3、技術參數

　　閥門組件安裝在安全殼外，其正常及事故條件下運行的溫度、壓力及輻照劑量均較為緩和。設計溫度-50～200℃；設計壓力1.0MPa；密封性能≤5×10^-9 Pa·m³/s(真空室法，干燥氦氣)；抗震類別抗震I類。

4、結構設計

　　4.1、總體結構

　　閥門組件(圖1)主要由截止閥、三通截止閥、壓力表、引壓連接管及連接密封組件構成。閥門組件安裝在電氣貫穿件筒體組件端板上后，通過充氣嘴對電氣貫穿件的筒體組件充壓時，截止閥和三通截止閥處于打開狀態，此時承壓容器、貫穿通道、壓力表連接通道、充氣嘴形成氣壓通路，實現對承壓容器的充壓。充壓后，截止閥處于開啟狀態，三通截止閥處于關閉狀態，此時筒體組件、貫穿通道和壓力表連接通道形成氣壓通路，壓力表可以通過連接通道對承壓容器進行壓力監測。當需要校驗或更換壓力表時，截止閥關閉，將電氣貫穿件內的氣體密閉在筒體組件內部。

　　壓力表具有可選的電信號輸出功能，可將壓力表的示值通過電纜線傳入控制室，對電氣貫穿件內的壓力值實現實時監控。

　　連接法蘭、引壓連接管、閥體及充氣嘴為不可拆卸的一體式結構，通過精密鑄造、整體鍛件加工或其他能夠形成一體式結構的加工方式完成。主要部件的一體式結構減少了部件之間的連接點，或泄漏點，減少了安裝和密封性能檢測的工作量。

1.三通截止閥 2.截止閥 3.閥瓣 4.閥體 5.壓力表連接用密封組件 6.壓力表 7.壓力表電信號輸出電纜線 8.防塵螺母 9.充氣嘴

圖1 閥門組件總體結構

　　4.2、密封結構

　　一體式閥門組件關鍵的密封結構設計有閥瓣密封、壓力表連接密封及與電氣貫穿件連接的密封。閥瓣是一體式閥門組件的關鍵密封部件。由于核電廠安全殼周圍的清潔度低，閥瓣采用適用于環境的低壓力環境條件場合的特種工程塑料如聚醚醚酮、聚砜或全氟烷氧基聚合物材料制成的軟密封件。壓力表通過壓緊螺母壓接密封組件安裝在閥體上，其中密封組件由雙金屬卡套或軟金屬墊片，并結合特定的結構設計形成的具有密封和固定壓力表功能的組件構成。

　　閥門組件與電氣貫穿件連接的密封組件，采用壓緊O形圈的法蘭式結構，該結構便于閥門組件的維護檢修，同時也改善了部件的抗震性能。

　　通過特殊的密封結構設計，閥門組件的整體密封性能得到了進一步的提高。

　　4.3、結構特點

　　閥門組件設計時綜合考慮了加工制造工藝、使用環境條件和制造成本等要求，實現了新組件與現有產品相比性能更好。

　　(1)由于筒體、引壓連接管、連接法蘭及充氣嘴部件采用一體式結構形式，并采用法蘭式安裝方式與電氣貫穿件實現連接和密封，使組件泄漏通道少、密封性能好、結構緊湊及抗震性能好，裝置與電氣貫穿件的安裝簡單。

　　(2)壓力表與閥體采用可拆卸式安裝方式，并設計有前端截止閥，方便壓力表卸下校驗或更換。

　　(3)在滿足電氣貫穿件使用環境條件要求的前提下，將截止閥的閥瓣頭部設計成有機特種材料的軟錐頭結構，該結構具有更加優異的密封性能。

　　(4)充氣嘴防塵螺母的設置確保該裝置在塵埃較多的環境下長期使用的可靠性。

　　(5)降低了組件制造、安裝、檢修和運行維護等各個環節的成本。

5、檢驗

　　5.1、力學分析

　　采用BLOCK-LANCZOS模態分析方法，給出了一體式閥門組件的前3階固有頻率，其值均高于33Hz，可采用等效靜力法計算。在地震載荷OBE、SSE條件下對結構的最大前3處斷面分類應力進行了計算。同時計算了組件在自重下的最大前3處斷面分類應力。根據RCC-MC3552和C3553的閥門校核準則的相關規定，結合表1的載荷組合，計算了閥門在各個工況下的最大前3處斷面分類應力，結果表明該組件的應力滿足規范要求。

表1 載荷組合及準則級別

　　按照RCC-MC3540的要求，對閥門壁厚進行了檢查。按照閥門的設計壓力為1.0MPa，工作溫度不大于200℃，計算最小壁厚tm=3.0mm。實際最小壁厚大于3.0mm，滿足規范要求。

　　5.2、密封性能

　　密封性能指標是電氣貫穿件閥門組件的關鍵控制參數之一。該組件密封性能檢測采用真空室法進行，通過附加堵頭模擬閥門組件的安裝狀態，外設真空腔室。多次密封性能檢測結果顯示，閥門組件的泄漏率≤5×10-9Pa·m3/s，能夠滿足設計技術參數的密封性能要求。

6、結語

　　通過了力學分析及密封性能試驗驗證，一體式閥門組件樣機達到了設計技術參數的要求，可應用于核電廠電氣貫穿件的壓力監測。