某核电主蒸汽隔离阀抱箍螺栓差异分析

某核电主蒸汽隔离阀抱箍螺栓差异分析

阮昭基 陈晨 黄成龙 张家林 王礼明

福建福清核电有限公司，福建 福清 350318

摘要：某核电新主蒸汽隔离阀为中外厂家共同开发产品。主蒸汽隔离阀的功能是在主蒸汽管道或主给水管道破裂后防止失控的蒸汽喷放量超过一台蒸汽发生器的储水量，以维持反应堆冷却和安全壳压力升高值在可接受的范围内。主蒸汽隔离阀由阀本体和执行机构通过抱箍螺栓连接成整体。

关键词：主蒸汽隔离阀、执行机构、抱箍螺栓。

1.概述

主蒸汽隔离阀的功能是在主蒸汽管道或主给水管道破裂后防止失控的蒸汽喷放量超过一台蒸汽发生器的储水量，以维持反应堆冷却和安全壳压力升高值在可接受的范围内。在任何位置的蒸汽管线或给水管线破裂后，该阀门都必须能够迅速截断任一方向的蒸汽流。当反应堆处于热停堆状态时，该阀还用来将汽轮机侧的部分主蒸汽管道与核蒸汽供应系统隔离开，以进行下游设备的检修。

阀门为楔紧型平行双闸板闸阀，其配有液/气驱动的执行机构，执行机构的输出杆和阀杆通过一对上下夹块连接。某电厂新旧主蒸汽隔离阀，气液执行机构与阀门本体均通过抱箍螺栓连接。

图1 阀门气液执行机构与阀门本体连接示意图

2.螺栓描述

某核电新主蒸汽隔离阀此处阀体和支架的连接采用了HAF型式的抱箍连接，对比该核电其他主蒸汽隔离阀的2根螺栓连接，新主蒸汽隔离阀上设计了4根螺栓连接，螺栓相关信息如下：

螺栓材料：M5110/42CrMo4；

螺栓规格：M42×480mm；

螺栓数量：4；

螺栓预紧力要求：1930N.m.

而旧主蒸汽隔离阀抱箍螺栓信息如下：

螺栓材料：Super Alloy Steel，ASTM A-540 GR.B23 CLASSⅠ

螺栓数量：2；

螺栓规格：M24×3.00-6G×520mm；

螺栓预紧力要求：508N.m.

3.主蒸汽隔离阀抱箍螺栓分析

新设计制造的主蒸汽隔离阀的抱箍螺栓所有化学成分和力学性能满足紧固件技术条件要求。其中材料M5110/42CrMo4 等同于42CrMo，具体如下：

1）化学成分

文件表A.2 规定了螺栓材料的化学成分，具体见图2，新阀螺栓材料满足化学成分的要求。

图2合金钢棒材的化学成分（熔炼分析和成品分析）

2）力学性能

文
件表A.5规定了螺栓材料的力学性能，具体见图3，新阀螺栓材料满足力学性能的要求（注：材料为Φ75 棒材）。

图3 42CrMo和40CrMoV棒材的力学性能

a） 拉伸试验：

螺栓材料实际屈服强度Rp0.2为828/921MPa，抗拉强度Rm为968/987MPa，延伸率A%为19%/18.6%，收缩率Z%为62%/62%，满足要求。

b） 硬度

螺栓材料实际测试硬度为283/286HB，满足要求。

c） 冲击试验

螺栓材料制取3 个试样进行了冲击试验，冲击能量吸收最小单个值为40J，冲击试验结果值为（114J、110J和110J）/（104J、110J和114J），满足要求。

延迟断裂是材料在静态应力作用下，经过一段时间后瞬间的低应力脆裂现象，在组织为回火马氏体时，螺栓钢随着抗拉强度的提高，材料的延迟断裂敏感性急剧增大，特别1200MPa 为一个分水岭，当材料的抗拉强度高于1200MPa 时，延迟断裂强度急剧降低，裂纹扩散速率增大或延迟断裂时间减小，即发生延迟断裂的敏感性的概率大大的增加。

旧阀螺栓材料和新阀螺栓材料含碳量约为0.43%~0.44%，都属于中碳钢，组织为回火马氏体。

另一电厂的旧阀曾经发生过主蒸汽隔离阀抱箍螺栓断裂事件，经分析该主蒸汽隔离阀螺栓材料抗拉强度为1288MPa，高于1200MPa，属于延迟断裂敏感性材料。但新阀抱箍螺栓从上述分析的材料性能可以看出，厂家设计制造的主蒸汽隔离阀螺栓材料抗拉实测值为968/987MPa，未超过1200MPa，不属于延迟断裂敏感性材料，材料延迟敏感性小，发生延迟断裂的概率小。同时可以看到，新螺栓材料的硬度更低、延伸率和收缩率更高，即断裂韧性更好，发生断裂的概率同样更小。

3）侵蚀分析

从某电厂的主蒸汽隔离阀抱箍螺栓断裂经验反馈上看，螺栓材料断裂的另一个原因是环境因素，能谱分析结果中发现存在Na、S 等侵蚀性元素。新阀抱箍螺栓表面进行了磷化镀锌处理，具有一定的耐腐蚀性能。另外一方面，新阀所在厂房设计结构与旧阀厂房结构大不相同，新阀顶部封闭不对空，大大提升了对极端气候如：台风、暴雨天气等环境防护能力，不易受到气候环境的干扰。因此环境侵蚀的影响大大降低。

4）螺栓受力情况分析

对新阀螺栓和旧阀的螺栓进行了对比，可以看出，同为DN800规格的主蒸汽隔离阀。新阀执行机构执行机构重量大致为：5吨，阀门整体重量为：11吨。旧阀执行机构执行机构重量大致为：1.8吨，阀门整体重量为：7.3吨。相对而言，新阀较旧阀重2～3倍，阀体重量基本一致。

而新阀在阀体与执行机构连接处的设计上：螺栓的规格为M42×480mm，数量为4颗；旧阀在阀体与执行机构连接处的设计上：螺栓的规格为M24×520mm，数量为2颗；相比较而言，新抱箍螺栓规格稍大，且数量也多一倍，结构设计上进行了强化。新主蒸汽隔离阀抱箍螺栓规格为M42，预紧力矩额定值为1930N.m，计算得到螺栓预紧状态下拉应力为212.3MPa；

旧主蒸汽隔离阀的抱箍螺栓规格为M24，预紧力矩额定值为508N.m，计算得到螺栓预紧状态下拉应力值为313.1MPa。可以看出，在正常安装预紧状态下，苏阀螺栓的拉应力更小，发生断裂的概率会适当减小。

4.预防措施

对比新旧主蒸汽隔离阀支架和阀体连接的抱箍结构，同样都在设计上采取了一定的预防措施：

1）自锁性：抱箍结构有一定的自锁性，即使在螺栓失效下，能够一定程度的保证结构的完整性；某电厂主蒸汽隔离阀抱箍螺栓，在螺栓断裂情况下，阀体和执行机构仍保持连接状态，未造成实际的严重后果。主要原因为抱箍和扼架连接部位设计有一个10°的倾角，如摩擦系数u 大于0.176，抱箍能实现自锁，而该接触面的摩擦系数是大于0.3 的，正常运行阶段如果没有外力作用抱箍是不会分离，可以将驱动机构扼架与阀体固定连接。

2）冗余设计：在抱箍连接结构上，苏阀进行了冗余设计，采用了4 根螺栓的结构，即HAF 抱箍每侧设置了2 根螺栓，即使在极端情况下，单侧一根螺栓发生了断裂，另一根螺栓仍然能够起到预紧作用，抱箍还处于整圆连接状态，不会导致执行机构和阀体的连接失效。

3）应力裕度：在螺栓的应力裕度上，新阀螺栓要大于旧阀，进一步提升了设备紧固连接的可靠性。

4）表面处理：对环境的耐蚀方面，苏阀的螺栓表面进行了磷化镀锌处理，具有一定的耐蚀性能，同样也有相应的预防措施。

5.总结

通过对比分析，厂家在新主蒸汽隔离阀的抱箍螺栓上没有选择延迟敏感性材料，且对螺栓表面进行了耐蚀镀层处理，在结构设计在又有一定的预防措施，发生螺栓断裂的风险较小。

新主蒸汽隔离阀抱箍螺栓与旧主蒸汽隔离阀相比较，在螺栓的数量、规格上具有明显的优化。根据目前旧主蒸汽隔离阀的良好运行经验，新主蒸汽隔离阀抱箍螺栓同样具有足够的可靠性。同时，在保证其设计优化的前提上，机组运行后加强该部件的日常巡检工作，同时在设备的每一次全面解体过程不断改进对该部件的检查方式，如定期更换部件，并对旧部件进行金相分析等手段，持续提升设备的可靠性。

参考文献

[1] 徐永斌，主蒸汽隔离阀安装、运行和维修手册.中核苏阀科技实业股份有限公司，2019

[2] 黎生明，谭怀锋，主蒸汽隔离阀抱箍螺栓断裂原因分析及解决方案.中广核工程有限公司，2016

[3] 王翠芸，主蒸汽系统手册第2-5章.中国核电工程有限公司，2013

[4] 焦少阳，1、2、3级设备用紧固件技术条件.中国核电工程有限公司，2016

[5] 林晓龙，高强度螺栓的应力分析及结构疲劳强度优化.东北大学，2012

[6] 孙训方，方孝淑．材料力学（I）（M）.北京：高等教育出版社，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。

黄成龙，福建福清核电有限公司，维修一处机械科员工。

张家林，福建福清核电有限公司，维修一处机械科员工。

王礼明，福建福清核电有限公司，维修三处机械科员工。