介紹了核級(jí)電磁動(dòng)截止閥用于核反應(yīng)堆主系統(tǒng)、堆瓣冷卻系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)的工作條件及技術(shù)要求。分析了活塞與套筒之間的導(dǎo)向配對(duì)、活塞與套筒之間的密封副、閥頭與活塞之間的導(dǎo)向配對(duì)材料特性及其密封性能。提出了閥瓣導(dǎo)向配對(duì)材料的選擇、確定導(dǎo)向配對(duì)間隙等技術(shù)難題的解決辦法。

1、概述

　　核級(jí)電磁動(dòng)截止閥( 包括核Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)) 主要用于核反應(yīng)堆主系統(tǒng)、堆瓣冷卻系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)，系統(tǒng)管路中一般為高溫高壓介質(zhì)，電磁動(dòng)截止閥的工作環(huán)境比較特殊，尤其在事故工況條件下，一般為高濕、高熱和高輻射，同時(shí)還伴隨著一定的環(huán)境壓力。

　　目前，國(guó)內(nèi)核級(jí)高溫高壓電磁動(dòng)截止閥在材料選擇、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用方面，不能保證產(chǎn)品在高溫高壓系統(tǒng)條件的高濕、高熱及高輻射的環(huán)境條件下長(zhǎng)期連續(xù)使用，不能保證高溫高壓條件下閥門內(nèi)部件之間的間隙配合以及連續(xù)操作條件下的密封性能。通過(guò)對(duì)核級(jí)電磁動(dòng)截止閥關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究，掌握閥門在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、閥瓣導(dǎo)向配對(duì)材料、間隙配對(duì)以及閥門密封性能等關(guān)鍵技術(shù)，突破該領(lǐng)域在技術(shù)研發(fā)制造瓶頸，實(shí)現(xiàn)核級(jí)電磁動(dòng)截止閥技術(shù)創(chuàng)新和國(guó)產(chǎn)化研制。

2、研究?jī)?nèi)容

　　(1) 電磁動(dòng)截止閥電磁鐵瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，及相關(guān)樣機(jī)制作和試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　(2) 具有高防護(hù)等級(jí)、耐輻照的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究。

　　(3) 電磁動(dòng)截止閥閥瓣導(dǎo)向配對(duì)材料特性的研究及相關(guān)樣機(jī)制作和試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　(4) 冷熱交變對(duì)閥門結(jié)構(gòu)和運(yùn)行可靠性影響研究。

　　(5) 高溫、高壓狀態(tài)下電磁動(dòng)截止閥的密封性能研究。

3、分析過(guò)程

　　3.1、材料特性分析

　　(1) 力學(xué)性能

　　高溫條件下，材料的力學(xué)性能將發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)在金屬材料強(qiáng)度的改變及其變形性質(zhì)的變化。一般的金屬材料，在溫度超過(guò)300℃時(shí)，其強(qiáng)度指標(biāo)明顯下降，塑性指標(biāo)明顯提高，即硬度減小并且很容易變形。在高溫條件下，受載閥門零件除發(fā)生彈性變形外，還會(huì)發(fā)生不可回復(fù)的蠕變，即使應(yīng)力低于相應(yīng)溫度條件下材料的屈服極限，也會(huì)發(fā)生這樣的變形。一般情況下，當(dāng)溫度不變時(shí)，應(yīng)力大的蠕變速度大，應(yīng)力不變時(shí)，溫度高者蠕變速度高，因此對(duì)于同一種材料，蠕變速度為應(yīng)力和溫度的函數(shù)。

　　閥門材料的溫度是由管路系統(tǒng)的參數(shù)決定的，材料的選擇又受到介質(zhì)的腐蝕性能等條件限制，所以常遇到的問(wèn)題是如何確定許用應(yīng)力。在掌握材料蠕變性能的基礎(chǔ)上要選擇一個(gè)應(yīng)力，使得閥門在正常使用壽命下，總的蠕變不致于發(fā)生斷裂或不致于因變形妨礙運(yùn)動(dòng)件相互間的運(yùn)動(dòng)。在高溫高壓載荷作用下，材料的另一種失效形式是斷裂。材料的持久強(qiáng)度與使用溫度、加力時(shí)間及所受應(yīng)力的大小有關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)力小于蠕變權(quán)限時(shí)，并不發(fā)生較大的蠕變，但零件在長(zhǎng)期高溫載荷下卻發(fā)生了斷裂。通過(guò)比較材料的蠕變性能和斷裂性能，選擇其中較低的許用應(yīng)力。

　　(2) 熱脹量

　　導(dǎo)致熱脹量差別的原因主要有材料的熱脹系數(shù)、零件承受熱載荷的差別和零件所處約束條件的差別，應(yīng)在設(shè)計(jì)中給予充分的考慮。

　　當(dāng)熱態(tài)介質(zhì)進(jìn)入冷態(tài)閥門時(shí)，閥瓣被熱態(tài)流體所包圍，加之其體積較小，能很快地達(dá)到系統(tǒng)管路介質(zhì)溫度，因此閥瓣快速向外膨脹。而閥體及與閥體接觸的套筒卻受熱較慢，其壁厚較大，膨脹速度較慢并向內(nèi)膨脹。因此高溫閥門零件間的工作間隙應(yīng)適當(dāng)增大，這樣在實(shí)際工作溫度下，防止擦傷和卡塞。間隙的增加量由材料的線脹系數(shù)、使用溫度和應(yīng)力等條件決定。

　　高溫閥門一般都為剛性密封，當(dāng)熱態(tài)介質(zhì)進(jìn)入冷態(tài)閥門時(shí)，閥瓣會(huì)很快受熱，并在載荷作用下發(fā)生變形。閥座雖然幾乎與閥瓣同時(shí)加熱，但由于其散熱條件較閥瓣好，以及閥體的線脹量常常小于閥座的徑向膨脹，一方面膨脹較慢，另一方面由于閥體形腔內(nèi)不規(guī)則幾何形狀，導(dǎo)致其變形也不規(guī)則。閥瓣和閥座的膨脹和變形情況可能導(dǎo)致閥門泄漏。

　　(3) 熱交變

　　介質(zhì)的熱交變對(duì)閥門主要有2 個(gè)方面的影響。一是導(dǎo)致過(guò)盈配合及螺紋連接零件之間松動(dòng)，導(dǎo)致密封失效。另一方面是導(dǎo)致與介質(zhì)接觸或接近的閥門零件受到交變應(yīng)力的作用，加劇閥門零件的疲勞老化。在設(shè)計(jì)中可考慮用密封焊和點(diǎn)焊的方式解決松動(dòng)問(wèn)題，熱交變工況下的密封結(jié)構(gòu)采用彈性密封副，即保證密封效果，又保證長(zhǎng)壽命。

　　(4) 擦傷

　　擦傷一般與材料的配對(duì)、溫度、表面粗糙度、硬度、載荷等因素有關(guān)。引起擦傷的原因很多，管路系統(tǒng)中存在的硬粒子會(huì)導(dǎo)致閥座和閥瓣表面擦傷，振動(dòng)和沖擊也會(huì)導(dǎo)致擦傷。為了防止擦傷，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意密封副材料的選配和硬度的匹配，一般導(dǎo)向滑動(dòng)面之間及兩密封面之間均應(yīng)保持5 ～10HRC 的硬度差。

　　(5) 閥瓣導(dǎo)向配對(duì)材料

　　適用于高溫高壓閥門的導(dǎo)向配對(duì)材料一般在表1 中選擇。

表1 常用的導(dǎo)向配對(duì)材料

　　根據(jù)研究和分析的結(jié)果，結(jié)合多年高溫高壓電磁閥的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，確定選擇司太立- 司太立作為產(chǎn)品的導(dǎo)向配對(duì)材料。包括活塞與套筒之間的導(dǎo)向配對(duì)、活塞與套筒之間的密封副、閥頭與活塞之間的導(dǎo)向配對(duì)及閥頭與活塞之間的密封副。

　　3.2、閥瓣導(dǎo)向配對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　(1) 總體結(jié)構(gòu)

　　電磁動(dòng)截止閥的總體結(jié)構(gòu)采用電磁驅(qū)動(dòng)分步直動(dòng)式結(jié)構(gòu)(也稱強(qiáng)制先導(dǎo)式) ，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，動(dòng)作靈活可靠，響應(yīng)時(shí)間快，并能真實(shí)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)閥位信號(hào)的輸出。與閥瓣導(dǎo)向配對(duì)有關(guān)的結(jié)構(gòu)主要由閥體、套筒、活塞、閥頭、活塞環(huán)、套筒密封墊、中法蘭密封墊、閥桿和彈簧組成( 圖1) 。電磁動(dòng)截止閥與系統(tǒng)的連接方式為對(duì)接焊形式，端部及尺寸符合ASME B16.25-2003 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

　　(2) 密封結(jié)構(gòu)

　�、匍y套組件與閥體之間的密封( 中法蘭密封)閥套組件與閥體連接處是產(chǎn)品的外漏點(diǎn)，對(duì)保證電磁閥的可靠性和安全性非常重要。在考慮產(chǎn)品高溫高壓特性基礎(chǔ)上，結(jié)合以往類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，中法蘭密封處采用不銹鋼石墨纏繞墊及密封焊形式的雙重密封結(jié)構(gòu)。中法蘭處采用高強(qiáng)度、耐輻射、密封性能良好的不銹鋼石墨纏繞墊片。電磁動(dòng)截止閥所有試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)中法蘭處實(shí)施密封焊，形成中法蘭密封的雙保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。雙重密封結(jié)構(gòu)確保電磁閥在規(guī)定工作介質(zhì)條件下，無(wú)任何外漏。密封焊部位能滿足至少3 次維修的使用。

圖1 主閥結(jié)構(gòu)

　�、谔淄才c閥體之間的密封套筒與閥體之間的密封是該產(chǎn)品的一個(gè)重要密封處，該處一旦泄漏，將造成閥門內(nèi)漏。此處密封采用不銹鋼石墨纏繞墊片，通過(guò)合理的壓縮量及正確的預(yù)緊力，可保證閥門在溫度360℃，壓力17.5MPa 條件下無(wú)任何泄漏，可以滿足本產(chǎn)品的要求。

　�、坶y座密封閥座密封涉及到先導(dǎo)閥座密封副和主閥閥座密封副，均采用不銹鋼表面堆焊司太立硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，可確保整個(gè)壓差范圍和溫度范圍內(nèi)的可靠密封。

　　(3) 維修性

　　為了提高產(chǎn)品的可維修性，主要從以下2 個(gè)方面予以充分的考慮。

　�、僭跐M足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并充分考慮裕量的前提下，盡量將電磁動(dòng)截止閥的體積縮小，保證體積小，質(zhì)量輕。

　　②在閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，采用組合式閥瓣結(jié)構(gòu)和閥座與閥體分離技術(shù)。組合式閥瓣結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥瓣部件進(jìn)行快速更換，閥座與閥體分離技術(shù)克服了傳統(tǒng)閥門閥座在閥體上無(wú)法更換的缺點(diǎn)，節(jié)省了維修時(shí)間，提高了閥門的可維修性。

　　(4) 耐壓性

　　閥門的承壓件設(shè)計(jì)滿足ASME B 16.34 規(guī)定的最小壁厚要求并充分考慮了60 年的腐蝕裕量。

　　(5) 閥門所承受的工作介質(zhì)種類

　　由于電磁閥采用分步直動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中法蘭密封采用不銹鋼石墨纏繞墊及密封焊雙重密封結(jié)構(gòu)，無(wú)任何外漏。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用不銹鋼加工，所以電磁動(dòng)截止閥可適應(yīng)冷水、熱水、各類壓縮氣體、蒸汽及油等多種工作介質(zhì)。

　　(6) 壽命設(shè)計(jì)

　�、匍y體的強(qiáng)度及耐腐蝕性要求電磁閥的閥體采用整體鍛造不銹鋼(SA182 F304L) 機(jī)加工而成，承受壓力高，耐腐蝕性強(qiáng)，外形美觀實(shí)用，易清潔。閥體設(shè)計(jì)最小壁厚滿足ASME B16. 34 的要求，并預(yù)留足夠的腐蝕余量，保證了閥體的60 年使用壽命的需要。

　�、趦�(nèi)部件選材精良，可滿足產(chǎn)品長(zhǎng)壽命需要電磁閥內(nèi)部金屬件全部采用不銹鋼制成，其中主閥內(nèi)活塞、閥頭、閥桿采用奧氏體不銹鋼加工�；钊�密封面、閥頭密封面堆焊司太立硬質(zhì)合金，可提高密封部件的使用壽命。導(dǎo)磁外殼、動(dòng)鐵瓣和靜鐵瓣采用精密軟磁不銹鋼加工，可提高產(chǎn)品的耐腐蝕性和導(dǎo)磁性能。其余金屬件，包括緊固件和彈簧等全部采用不銹鋼加工，提高閥門的整體耐腐蝕性，滿足閥門長(zhǎng)壽命的需要。

　�、鄢墒煜冗M(jìn)的工藝，為產(chǎn)品的長(zhǎng)久可靠運(yùn)行提供了保證電磁閥中法蘭采用不銹鋼石墨纏繞墊片密封，并采用熔合焊接的密封焊技術(shù)處理，杜絕了閥門出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象。閥桿表面采用冷滾壓工藝，可大幅提升閥桿的使用壽命。非磁管組件采用無(wú)磁不銹鋼與精密軟磁不銹鋼自熔焊接結(jié)構(gòu)形式，可滿足強(qiáng)度和耐動(dòng)鐵心沖擊的要求。

　�、芰悴考�加工精度高，通用性和互換性強(qiáng)電磁閥所有滑動(dòng)部位表面設(shè)計(jì)粗糙度達(dá)到0. 8μm 以上，其他部位零部件外表面粗糙度達(dá)到1. 6μm 以上。未注尺寸公差達(dá)到GB/T 1804 - f 級(jí)以上。所有未注形位公差達(dá)到GB/T 1184 - K 級(jí)以上。良好的配合間隙將有助于滑動(dòng)部件使用壽命的增長(zhǎng)。

　�、萏淄彩介L(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)主閥采用套筒式結(jié)構(gòu)，套筒的加入使閥座與閥體分離，在提高密封性的同時(shí)，又可解決因長(zhǎng)期動(dòng)作使閥座磨蝕損傷無(wú)法修復(fù)，必須更換閥體的致命缺陷，可保護(hù)系統(tǒng)管路的完整性和安全性，確保產(chǎn)品60 年使用壽命的實(shí)現(xiàn)。

　�、揲L(zhǎng)壽命密封副結(jié)構(gòu)電磁閥設(shè)計(jì)循環(huán)壽命大于30 000 次。在設(shè)計(jì)上通過(guò)采用高品質(zhì)的金屬材料，剛性具補(bǔ)償功能的動(dòng)密封副，易損傷部位的硬質(zhì)合金堆焊，高強(qiáng)度、耐老化的密封材料，成熟先進(jìn)的特殊工藝，可確保電磁閥滿足技術(shù)規(guī)格書要求的循環(huán)壽命大于30 000 次的指標(biāo)。

4、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)開展電磁動(dòng)截止閥閥瓣導(dǎo)向配對(duì)材料特性的研究及相關(guān)樣機(jī)制作、試驗(yàn)驗(yàn)證4 個(gè)方面的工作內(nèi)容，采取理論計(jì)算、對(duì)比分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等方式有效解決了閥瓣導(dǎo)向配對(duì)材料的選擇、導(dǎo)向配對(duì)間隙等技術(shù)難題。研制的電磁動(dòng)截止閥驗(yàn)證件順利的通過(guò)了抗震分析、疲勞分析，同時(shí)也通過(guò)了水壓強(qiáng)度試驗(yàn)、冷態(tài)負(fù)載動(dòng)作試驗(yàn)、熱態(tài)負(fù)載動(dòng)作試驗(yàn)、機(jī)械磨損老化試驗(yàn)四項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)的考核，該研究成果為國(guó)產(chǎn)核級(jí)電磁動(dòng)截止閥研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。