三門核電1#、2#機組設備閘門力矩值偏差分析

秦小軍

摘要：安全殼系統(tǒng)用于在正常運行模式下包容泄漏的放射性產(chǎn)物，屏蔽堆芯和反應堆冷卻劑系統(tǒng)。設備閘門屬于鋼制安全殼的一部分，用于生產(chǎn)階段大宗材料、物項進出安全殼廠房。三門核電1#、2#機組設備閘門結構基本相似，但設備閘門關閉的最終力矩值相差頗大。通過分別對兩設備閘門的結構和緊固力進行分析，可知兩設備閘門在對應緊固力矩下均能滿足密封要求。

關鍵詞：設備閘門；密封；緊固力矩 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2016）21-0062-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.030

1 功能介紹

三門核電1#、2#機組安全殼系統(tǒng)分別有兩個設備閘門，分別位于107英尺平臺和135英尺平臺。設備閘門屬于安全殼系統(tǒng)的不可分離的一部分，開啟后將與附屬廠房連通，提供大宗設備物項的進出通道。正常運行期間，設備這門必須完全關閉，提供可靠的密封，以包容可能泄漏的放射性產(chǎn)物以及屏蔽堆芯和反應堆冷卻劑系統(tǒng)。正常關閉情況下，設備閘門允許有0.1 l/m的泄漏率。此外，電站換料期間進行頂蓋拆裝、堆內(nèi)構件吊裝、裝換料時以及其他應急工況下，需在20分鐘內(nèi)緊急關閉，以免應急工況下可能的放射性擴散。

設備閘門的密封方式為傳統(tǒng)的法蘭密封圈密封，依靠緊固螺栓提供的預緊力壓縮密封圈密封。

2 結構簡介

設備閘門的主要組成結構為：蝶形封頭、法蘭與貫穿筒體、鉸鏈螺栓、O型密封圈、臨時橋架、手拉葫蘆、導向軌、懸掛裝置和卷揚機。

設備閘門法蘭與筒體的內(nèi)徑為?4876.9mm，重量約為10.3T，設計承受壓力（從內(nèi)向外）值約為0.4Mpa屬于C級設備。設備閘門關閉時位于圖1虛線所示位置。當需要開啟時，卷揚機勾住蝶形封頭的提升吊耳，松掉所有蝶形螺栓，提升蝶形封頭指上限位并支撐在懸掛裝置上。導向軌用于提升和下降過程中防止蝶形封頭的晃動并提供導向。

2.1 鉸鏈螺栓

為了便于拆裝，設備閘門密封緊固螺栓采用鉸鏈螺栓，詳見圖2。該螺栓常見于機加工種的工件夾持，拆卸時僅需擰松部分螺紋并旋轉即可。三門1#、2#機組設備閘門的鉸鏈螺栓雖然尺寸和數(shù)量上有差異，但主要結構一致。

2.2 密封件

設備閘門的密封件材質為EPDM，密封件有2個O型密封圈，在設備閘門法蘭面上同心布置。密封圈的安裝時，按入密封槽內(nèi)。兩道密封圈之間設有設備閘門氣密性試驗流道，外部用閥門密封。試驗中，外接壓縮空氣并保壓，檢驗密封圈的密封情況。

3 工況狀態(tài)分析

設備閘門正常運行工況下常關，以保證安全殼系統(tǒng)的完整性。此時，設備閘門作為安全殼的不可分割的一部分，用于包容整個核島，防止放射性的外泄。

停堆換料大修過程中，設備閘門的狀態(tài)將多次改變。停堆降溫降壓后，打開設備閘門，用于提供檢修設備、大宗材料等通道。當需要執(zhí)行反應堆壓力容器開蓋或其他可能有較大放射性外泄風險時，設備閘門需緊急關閉（4顆鉸鏈螺栓）。堆芯卸料完成后，如有需要可能還需要打開設備閘門，提供必要的通道。裝料前，必須再次將設備閘門緊急關閉，以滿足法規(guī)要求。裝料結束、反應堆壓力容器扣蓋后，打開設備閘門，為檢修設備、大宗材料等提供出核島的通道。最后，關閉設備閘門，建立安全殼的密封。

設備閘門泄漏率試驗，可以理解為第三種工況。上述兩種工況下，核島內(nèi)的氣壓一般大于核島外的大氣壓，密封圈承受壓力更大，密封性更佳。泄漏率試驗中，密封圈之間充入壓縮空氣，給設備閘門施加向核島內(nèi)的推力，相當于核島內(nèi)氣壓小于核島外大氣壓。

4 1#、2#機組設備閘門區(qū)別

三門核電1#機組設備閘門由日本IHI供貨，2#機組設備閘門由大連日立供貨，兩設備閘門主體結構一致，但部分詳細結構不一樣。

1#、2#設備閘門的提升和下降裝置均為葫蘆式，但有細微結構差距。1#設備閘門懸掛裝置為掛鉤型，2#則為卸扣式。1#設備閘門的偏心機構可調節(jié)范圍為0-30mm，2#則為0-25.4mm。1#設備閘門的臨時橋架懸掛點在外部切儲存在外部平臺上，2#的懸掛點在內(nèi)部切儲存在蝶形封頭上。

此外，1#、2#設備閘門的緊固件和密封圈的差異如表1所示：

如上對比可知，1#、2#設備閘門的緊固力矩相差約為4倍，兩者的密封性需進行確認。

5 設備閘門密封可靠性分析

根據(jù)設備閘門的三種工況分析，對于密封圈而言，泄漏率試驗時密封圈的密封比壓最小。故，只要能保證泄漏率試驗（0.455Mpa）時的密封性，也就能保證其他兩種工況的密封性要求。

泄漏率試驗保壓時，設備閘門密封圈之間的壓力值將產(chǎn)生指向安全殼內(nèi)部的軸向力，緊固件的合力指向安全殼外部的軸向力。下面分別根據(jù)1、2#機組設備閘門尺寸進行泄漏率試驗受力分析。

5.1 密封圈受力分析

5.1.1 三門1#機組設備閘門

由鉸鏈螺栓的型號1 5/8-8UN，查詢美標螺紋標準：

螺距：p1=25.4/8=3.175mm

大徑：D1=41.3mm

中徑：d12=D1-0.6495p??1=39.24mm

升角：ψ1=arc tan=1.476°

螺紋旋轉時，為鋼對鋼滑動摩擦且有潤滑，故取滑動摩擦因數(shù)f=0.12

摩擦角：ρ=arc tan f=6.84°

參數(shù)：tan（ψ1+ρ）=0.146

單根螺栓所提供的軸向力為：

Q1==349.1KN

20根螺栓所提供的總的軸向力為：

F11=n1Q1=6982kN

泄漏率實驗所產(chǎn)生的軸向力分析如下：

承壓面積：S1=π（r2112-r2122）=595586mm2

壓力產(chǎn)生的軸向力：F12=PS1=271kN

兩個軸向力的合力：F合1=F11-F12=6711kN

5.1.2 三門2#機組設備閘門

緊固件所提供的軸向力分析如下：

由鉸鏈螺栓的型號M27×3-6g，可知：

螺距：p2=3mm

大徑：D2=27mm

中徑：d22=D2-0.6495p2=25.05mm

升角：ψ2=arctan=2.184°

螺紋旋轉時，為鋼對鋼滑動摩擦且有潤滑，故取滑動摩擦因數(shù)f=0.12

摩擦角：ρ=arctanf=6.84°

參數(shù)：tan（ψ2+ρ）=0.1588

單根螺栓所提供的軸向力為：

Q2==120.67kN

36根螺栓所提供的總的軸向力為：

F21=n2Q2=4343.96kN

泄漏率試驗壓力所產(chǎn)生的軸向力分析如下：

承壓面積：S2=π（r2212-r2222）=791546mm2

壓力產(chǎn)生的軸向力：F22=PS2=355.6kN

兩個軸向力的合力：F合2=F21-F22=3988.36kN

從上述分析可以看出，在泄漏率試驗時，鉸鏈螺栓所提供的軸向力均遠大于試驗壓力所產(chǎn)生的反方向的軸向力。即，鉸鏈螺栓均能夠給密封墊片等密封結構提供密封預緊力。

5.2 密封比壓力分析

為使密封不泄露，必須施加在墊片上的壓應力稱為密封比壓力，包括預緊密封比壓力、工作密封比壓力。此外，密封所必須的壓緊力的大小不僅與泄漏率試驗壓力有關，還與墊片的尺寸和結構基本性能有關。

5.2.1 三門1#機組設備閘門

1#機組設備閘門的密封方式為半圓環(huán)式密封圈，密封槽為外八槽。密封圈的材質為三元乙丙橡膠，截面尺寸為寬w=11.8mm，長L=14.8mm。

查詢墊片基本密封寬度可知：

b0==1.475，b0<6.4mm

故取墊片的有效密封寬度：b=b0=1.475mm

根據(jù)墊片的材質，查詢墊片性能參數(shù)表，可知：

預緊密封比壓力：y=2.8MPa

墊片系數(shù)：m=1.25

兩道密封之間直徑的差距非常小，可以忽略不計。即，默認兩道密封所需要的預緊力一樣。

預緊狀態(tài)下所需要的最小墊片壓緊力：

FG1=3.14DGby=3.14×5004×1.475×2.8=64.892kN

工作狀態(tài)下需要的最小墊片預緊力為：

Fp1=6.28DGbmp=6.28×5004×1.475×1.25×0.455=26.36kN

F合1-FG1>>0，故緊固螺栓能提供足夠的密封預緊力。

5.2.2 三門2#機組設備閘門

是2#機組設備閘門的密封方式為O形環(huán)自緊式密封，密封槽為內(nèi)八槽。查詢墊片性能參數(shù)可知，m=y=0。

由預緊狀態(tài)下需要的最小墊片預緊力：

FG2=3.14DGby=0

由工作狀態(tài)下需要的最小墊片預緊力：

Fp2=6.28DGbmp=0

從上述內(nèi)容可知，2#機組設備閘門的密封方式不需要預緊力，完全可以自密封。此外，密封槽的最大尺寸為16.12 mm，而密封圈的直徑為19.05 mm，密封圈在安裝到密封槽就已經(jīng)處于壓縮狀態(tài)。

F合2-FG2>>0，故，緊固螺栓能 提供足夠的密封預緊力。

通過上述分析計算可知三門1#、2#機組設備閘門關閉力矩值相差較大，但鉸鏈螺栓規(guī)格、數(shù)量和密封圈、密封槽結構相互補償后，均能夠滿足設備閘門的密封要求。

6 結束語

三門核電1#機組設備閘門已經(jīng)完成調試，泄漏率試驗順利通過。三門核電2#機組設備閘門還未調試使用。本文對其結構、密封性進行了分析，希望能對三門核電1#、2#設備閘門的開、關以及泄漏率試驗提供參考。

參考文獻

[1] 龍振宇，機械設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.7

（責任編輯：王 波）