钠介质回路阀门的结构设计

    1 概述

    核级钠阀门（以下简称钠阀）主要应用在快中子增殖反应堆一、二回路及其各辅助系统、钠工艺系统、破损探测系统、热工控制系统的管道上，对管道中的介质起截断或输送作用。

    2 性能参数

    公称压力  2.0MPa

    公称通径  25、40、65mm

    工作温度  420 ℃

    工作介质  液态金属钠

    连接形式  焊接

    安全级别  II

    抗震类别  II

    质量等级  QA1

    清洁度    A类

    承压件设计使用寿命  30a

    无故障开关周期      <1500次

    耐压试验压力        3.0MPa

    3 工况分析

    （1）由于液态金属钠是一种极活泼的金属元素，具有很高的反应活性，能直接与O₂、H₂、S或H₂O反应，产生可燃气体。因此阀门密封可靠性要求极高，必需保证不得有任何外泄漏现象的发生。

    （2）由于液态金属钠在97.8℃下将由液态转变为固态。因此，阀门需要在420℃高温下长期运行，必须具有耐高温性能。

    （3）液态金属钠在常温下呈固态，化学性质极为活泼，遇水或潮气反应猛烈，易引起着火或爆炸。所以当介质流经阀门后，要求其体腔内尽可能不残留介质。

    4 密封结构

    （1）承压壳体密封结构

    主要承压件阀体、阀盖、阀瓣采用自由锻毛坯，内外表面机加工成形。在锻造过程中，由于金属塑性变形的结果，使毛坯金属获得较细的晶粒。同时能压合铸造组织的内部缺陷（如微小的裂纹、气孔等），因而提高了金属的机械性能确保承压壳体密封可靠。

    （2）阀体与阀盖连接处密封结构

    阀体与阀盖连接处是承压壳体密封的关键部位。对于公称尺寸[DN25阀门，其阀体与阀盖焊接连接，避免了阀体与阀盖连接处泄漏的可能性（图1）。对于公称尺寸\DN40阀门，其阀体与阀盖采取螺栓连接唇边焊密封结构，密封焊缝在维修时允许切开。该种密封结构性能可靠，不受温度波动的影响，保证高温密封性能，使介质无任何外漏（图2）。

 ♂

1.阀盖      2.阀体

图1 阀体与阀盖焊接结构

1.密封焊  2.阀盖  3.阀体

图2 阀体与阀盖密封焊结构

    （3）阀杆密封结构

    阀杆密封为动态密封，在设计上采取两种密封结构。冷冻、填料和O形圈三重密封。利用液态金属钠随着温度下降其粘度增加的特性，在阀盖与填料函之间加散热片，降低介质的温度，达到密封的效果。当其冷冻密封失效时，填料作为第2道密封起阀杆处密封的作用。当填料密封失效后O形圈来确保阀杆处的密封。在散热片与填料密封之间设有检漏管，当冷冻密封不起作用时，检漏管处的监测火花塞发出信号，通知系统采取应急措施并及时检修，保证系统安全运行（图3）。

1.散热片  2.引漏装置  3.O形圈  4.填料

图3 冷冻密封结构

 ♂

    波纹管及填料双重密封。填料密封构成阀杆的第二道密封。由于钠介质的穿透力较强，在波纹管破裂时，填料不能保证可靠的密封效果，因此在阀杆与填料函上设有上密封结构。当波纹管密封失效时，上密封与填料密封确保阀门密封的可靠性。两道密封之间设有检漏管，当波纹管破裂时，检漏管处的监测火花塞发出信号，通知系统采取应急措施并及时检修，保证系统安全运行（图4）。

1.波纹管 2.引漏装置 3.填料

图4 波纹管密封结构

    5 耐高温性结构

    （1）材料选取

    阀体、阀盖、阀瓣、填料箱、阀杆等主体零件的材料为316，波纹管为316L，所用材料必需具有能在规定介质温度和压力作用下达到机械性能以及良好的冷、热加工工艺性。由于钠阀用于介质温度420℃的管路上，为了防止螺纹旋合咬死，在阀体与阀盖之间、阀盖与填料箱之间连接螺栓、螺母选择了高强度的0Cr15Ni25Ti2MoAlVB材料。其他的紧固件材料多为304。碟形弹簧材料为60Si2MnA。阀座、阀瓣密封面堆焊Stellite硬质合金，硬度45～50HRC，具有耐蚀、抗冲刷和耐冲蚀等特点，确保阀门无故障开关1500次以上。

    （2）结构设计

    由于螺栓与被连接件材料的线膨胀系数不同，为了减小由于热变形不一致而使螺栓受到的温度载荷，中法兰螺母采用高颈螺母，以增加螺栓的长度，很好的解决了温度载荷的影响（图5）。为防止传动机构的关闭力矩过高及热膨胀对阀瓣密封面的损害，阀杆及螺杆设计成两部分，由连轴器连接。在阀杆与螺杆之间设有碟形弹簧，不仅可以减小操作期间阀瓣和阀座之间的冲击力，还可以使阀门在关闭状态下起热膨胀补偿作用（图6）。

1.阀盖  2.阀体  3.螺母  4.螺栓

图5 中法兰高颈螺母

1、2.螺杆  3.碟簧  4.连轴器

图6 热膨胀补偿结构

 ♂

    （3）防止介质残留内腔结构

    由于液态金属钠在97.8℃下将由液态转变为固态，并容易与O₂、H₂、S或H₂O反应，产生可燃气体，所以，当介质流经阀门后，其体腔内不应有介质残留。在设计上应保证内表面光洁，阀门的拐角及连接处均呈圆角过渡，降低流阻。对于止回阀，阀门的进出口端有15mm的落差，各拐点圆滑过渡，整个体腔内呈流线形结构，保证体腔内不残留介质（图7）。对于截止阀，介质从低向高方向流动。其内腔呈流线形（图8）。

图7 旋启式止回阀阀体

图8 截止阀阀体

    6 结语

    快中子增殖反应堆对我国核能技术发展有重大的意义。首先，它可以充分利用核资源，增殖核燃料，提供廉价的电力。此外，快堆对环境污染小，发展快堆很有价值。一套实验性快堆装置需要配套的钠阀门用量约300台。随着今后我国快堆事业的建设发展，将需要更多数量规格的钠阀门。不断的开发和研制应用于钠介质回路的阀门，必将会为我国的核能技术提供安全、可靠的保障。