三门核电1#、2#机组设备闸门力矩值偏差分析

秦小军

摘要：安全壳系统用于在正常运行模式下包容泄漏的放射性产物，屏蔽堆芯和反应堆冷却剂系统。设备闸门属于钢制安全壳的一部分，用于生产阶段大宗材料、物项进出安全壳厂房。三门核电1#、2#机组设备闸门结构基本相似，但设备闸门关闭的最终力矩值相差颇大。通过分别对两设备闸门的结构和紧固力进行分析，可知两设备闸门在对应紧固力矩下均能满足密封要求。

关键词：设备闸门；密封；紧固力矩 文献标识码：A

中图分类号：TM623 文章编号：1009-2374（2016）21-0062-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.030

1 功能介绍

三门核电1#、2#机组安全壳系统分别有两个设备闸门，分别位于107英尺平台和135英尺平台。设备闸门属于安全壳系统的不可分离的一部分，开启后将与附属厂房连通，提供大宗设备物项的进出通道。正常运行期间，设备这门必须完全关闭，提供可靠的密封，以包容可能泄漏的放射性产物以及屏蔽堆芯和反应堆冷却剂系统。正常关闭情况下，设备闸门允许有0.1 l/m的泄漏率。此外，电站换料期间进行顶盖拆装、堆内构件吊装、装换料时以及其他应急工况下，需在20分钟内紧急关闭，以免应急工况下可能的放射性扩散。

设备闸门的密封方式为传统的法兰密封圈密封，依靠紧固螺栓提供的预紧力压缩密封圈密封。

2 结构简介

设备闸门的主要组成结构为：蝶形封头、法兰与贯穿筒体、铰链螺栓、O型密封圈、临时桥架、手拉葫芦、导向轨、悬挂装置和卷扬机。

设备闸门法兰与筒体的内径为?4876.9mm，重量约为10.3T，设计承受压力（从内向外）值约为0.4Mpa属于C级设备。设备闸门关闭时位于图1虚线所示位置。当需要开启时，卷扬机勾住蝶形封头的提升吊耳，松掉所有蝶形螺栓，提升蝶形封头指上限位并支撑在悬挂装置上。导向轨用于提升和下降过程中防止蝶形封头的晃动并提供导向。

2.1 铰链螺栓

为了便于拆装，设备闸门密封紧固螺栓采用铰链螺栓，详见图2。该螺栓常见于机加工种的工件夹持，拆卸时仅需拧松部分螺纹并旋转即可。三门1#、2#机组设备闸门的铰链螺栓虽然尺寸和数量上有差异，但主要结构一致。

2.2 密封件

设备闸门的密封件材质为EPDM，密封件有2个O型密封圈，在设备闸门法兰面上同心布置。密封圈的安装时，按入密封槽内。两道密封圈之间设有设备闸门气密性试验流道，外部用阀门密封。试验中，外接压缩空气并保压，检验密封圈的密封情况。

3 工况状态分析

设备闸门正常运行工况下常关，以保证安全壳系统的完整性。此时，设备闸门作为安全壳的不可分割的一部分，用于包容整个核岛，防止放射性的外泄。

停堆换料大修过程中，设备闸门的状态将多次改变。停堆降温降压后，打开设备闸门，用于提供检修设备、大宗材料等通道。当需要执行反应堆压力容器开盖或其他可能有较大放射性外泄风险时，设备闸门需紧急关闭（4颗铰链螺栓）。堆芯卸料完成后，如有需要可能还需要打开设备闸门，提供必要的通道。装料前，必须再次将设备闸门紧急关闭，以满足法规要求。装料结束、反应堆压力容器扣盖后，打开设备闸门，为检修设备、大宗材料等提供出核岛的通道。最后，关闭设备闸门，建立安全壳的密封。

设备闸门泄漏率试验，可以理解为第三种工况。上述两种工况下，核岛内的气压一般大于核岛外的大气压，密封圈承受压力更大，密封性更佳。泄漏率试验中，密封圈之间充入压缩空气，给设备闸门施加向核岛内的推力，相当于核岛内气压小于核岛外大气压。

4 1#、2#机组设备闸门区别

三门核电1#机组设备闸门由日本IHI供货，2#机组设备闸门由大连日立供货，两设备闸门主体结构一致，但部分详细结构不一样。

1#、2#设备闸门的提升和下降装置均为葫芦式，但有细微结构差距。1#设备闸门悬挂装置为挂钩型，2#则为卸扣式。1#设备闸门的偏心机构可调节范围为0-30mm，2#则为0-25.4mm。1#设备闸门的临时桥架悬挂点在外部切储存在外部平台上，2#的悬挂点在内部切储存在蝶形封头上。

此外，1#、2#设备闸门的紧固件和密封圈的差异如表1所示：

如上对比可知，1#、2#设备闸门的紧固力矩相差约为4倍，两者的密封性需进行确认。

5 设备闸门密封可靠性分析

根据设备闸门的三种工况分析，对于密封圈而言，泄漏率试验时密封圈的密封比压最小。故，只要能保证泄漏率试验（0.455Mpa）时的密封性，也就能保证其他两种工况的密封性要求。

泄漏率试验保压时，设备闸门密封圈之间的压力值将产生指向安全壳内部的轴向力，紧固件的合力指向安全壳外部的轴向力。下面分别根据1、2#机组设备闸门尺寸进行泄漏率试验受力分析。

5.1 密封圈受力分析

5.1.1 三门1#机组设备闸门

由铰链螺栓的型号1 5/8-8UN，查询美标螺纹标准：

螺距：p1=25.4/8=3.175mm

大径：D1=41.3mm

中径：d12=D1-0.6495p??1=39.24mm

升角：ψ1=arc tan=1.476°

螺纹旋转时，为钢对钢滑动摩擦且有润滑，故取滑动摩擦因数f=0.12

摩擦角：ρ=arc tan f=6.84°

参数：tan（ψ1+ρ）=0.146

单根螺栓所提供的轴向力为：

Q1==349.1KN

20根螺栓所提供的总的轴向力为：

F11=n1Q1=6982kN

泄漏率实验所产生的轴向力分析如下：

承压面积：S1=π（r2112-r2122）=595586mm2

压力产生的轴向力：F12=PS1=271kN

两个轴向力的合力：F合1=F11-F12=6711kN

5.1.2 三门2#机组设备闸门

紧固件所提供的轴向力分析如下：

由铰链螺栓的型号M27×3-6g，可知：

螺距：p2=3mm

大径：D2=27mm

中径：d22=D2-0.6495p2=25.05mm

升角：ψ2=arctan=2.184°

螺纹旋转时，为钢对钢滑动摩擦且有润滑，故取滑动摩擦因数f=0.12

摩擦角：ρ=arctanf=6.84°

参数：tan（ψ2+ρ）=0.1588

单根螺栓所提供的轴向力为：

Q2==120.67kN

36根螺栓所提供的总的轴向力为：

F21=n2Q2=4343.96kN

泄漏率试验压力所产生的轴向力分析如下：

承压面积：S2=π（r2212-r2222）=791546mm2

压力产生的轴向力：F22=PS2=355.6kN

两个轴向力的合力：F合2=F21-F22=3988.36kN

从上述分析可以看出，在泄漏率试验时，铰链螺栓所提供的轴向力均远大于试验压力所产生的反方向的轴向力。即，铰链螺栓均能够给密封垫片等密封结构提供密封预紧力。

5.2 密封比压力分析

为使密封不泄露，必须施加在垫片上的压应力称为密封比压力，包括预紧密封比压力、工作密封比压力。此外，密封所必须的压紧力的大小不仅与泄漏率试验压力有关，还与垫片的尺寸和结构基本性能有关。

5.2.1 三门1#机组设备闸门

1#机组设备闸门的密封方式为半圆环式密封圈，密封槽为外八槽。密封圈的材质为三元乙丙橡胶，截面尺寸为宽w=11.8mm，长L=14.8mm。

查询垫片基本密封宽度可知：

b0==1.475，b0<6.4mm

故取垫片的有效密封宽度：b=b0=1.475mm

根据垫片的材质，查询垫片性能参数表，可知：

预紧密封比压力：y=2.8MPa

垫片系数：m=1.25

两道密封之间直径的差距非常小，可以忽略不计。即，默认两道密封所需要的预紧力一样。

预紧状态下所需要的最小垫片压紧力：

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

工作状态下需要的最小垫片预紧力为：

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

F合1-FG1>>0，故紧固螺栓能提供足够的密封预紧力。

5.2.2 三门2#机组设备闸门

是2#机组设备闸门的密封方式为O形环自紧式密封，密封槽为内八槽。查询垫片性能参数可知，m=y=0。

由预紧状态下需要的最小垫片预紧力：

FG2=3.14DGby=0

由工作状态下需要的最小垫片预紧力：

Fp2=6.28DGbmp=0

从上述内容可知，2#机组设备闸门的密封方式不需要预紧力，完全可以自密封。此外，密封槽的最大尺寸为16.12 mm，而密封圈的直径为19.05 mm，密封圈在安装到密封槽就已经处于压缩状态。

F合2-FG2>>0，故，紧固螺栓能 提供足够的密封预紧力。

通过上述分析计算可知三门1#、2#机组设备闸门关闭力矩值相差较大，但铰链螺栓规格、数量和密封圈、密封槽结构相互补偿后，均能够满足设备闸门的密封要求。

6 结束语

三门核电1#机组设备闸门已经完成调试，泄漏率试验顺利通过。三门核电2#机组设备闸门还未调试使用。本文对其结构、密封性进行了分析，希望能对三门核电1#、2#设备闸门的开、关以及泄漏率试验提供参考。

参考文献

[1] 龙振宇，机械设计[M].北京：机械工业出版社，2002.7

（责任编辑：王 波）