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核電廠高溫高壓截止閥焊接工藝 高溫高壓截止閥焊接工藝 核電廠高壓截止閥焊接工藝

之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹核電廠高溫高壓截止閥焊接工藝核電廠上充管所經歷的溫度瞬態變化較劇烈，從而導致上充管與截止閥門連接焊縫按RCC-M規范B3600的方法進行疲勞分析時，總的累積疲勞使用系數較大，超出了RCC-M規范的許用限值，不滿足RCC-M規范要求。因此，需要對上充管與截止閥門連接焊縫疲勞分析進行優化。對國內某核電廠上充管RCP042與截止閥門連接焊縫進行了高溫疲勞試驗。依據疲勞試驗結果，根據RCC-M規范ZII 150，采用試驗分析法對上充管RCP042與截止閥門連接焊縫的疲勞強度進行了進一步的分析評定。分析結果表明，該處焊縫疲勞強度滿足RCC-M規范要求。

核電廠高溫高壓截止閥焊接工藝關鍵詞：上充管焊縫; 疲勞強度; 高溫疲勞試驗; 試驗分析法；核電站；截止閥

0 引言
核電廠一回路水溫變化時，由于水的比體積的改變，回路中水的容積也在隨之變化，水容積的變化必將導致穩壓器水位的波動[1]。通過控制上充和下泄流量保持一回路穩壓器的水位在設定值，即在不同功率下維持穩壓器的程序水位、保持一回路水容積[2]。在安全注入的情況下，化容系統上充泵作為高壓安注泵運行，容積控制箱RCV002BA作為上充泵的高位水箱，給上充泵提供水源和吸入壓頭，經過上充泵升壓后，zui終通過上充管注入RCP系統一回路冷段。此外，上充回路還設有一條從再生熱交換器出口到穩壓器噴淋的管線，一旦反應堆冷卻劑泵不能使用，該管線提供輔助噴淋能力[2]。因此，上充管所經歷的溫度瞬態變化較劇烈，從而導致上充管與截止閥門連接焊縫按RCC-M B3600的方法進行疲勞分析時[3]，總的累積疲勞使用系數較大。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥國內某核電廠上充管3RCP042和4RCP042與截止閥門連接焊縫按RCC-M B3600的方法進行疲勞分析，載荷對21-31(溫度瞬態)對該連接焊縫產生的疲勞使用系數較大(已超過1)，導致總的累積疲勞使用系數超出了RCC-M規范[4]許用限值。

為此，對該核電廠的上充管RCP042與截止閥門連接焊縫進行了高溫疲勞試驗[5]；依據疲勞試驗結果，根據RCC-M規范ZII 150，采用試驗分析法對其疲勞強度進行進一步的分析評定。

1 試驗方法及結果
1.1 試件及試驗方法

試件母材與對應產品母材零件狀態相同，試件焊材與現場產品焊接用的焊材型號相同。焊接接頭為Z2CN1810和Z2CND1812+N2的管道環焊縫對接，焊接工藝[6]與現場產品焊接工藝一致，都為手工TIG焊。連接焊縫位置與實際結構保持幾何相似，影響焊縫位置應力的鄰近位置也保持幾何相似；考慮到閥門結構復雜，制作試件時閥門采用管結構模擬，但連接處主要結構尺寸相同。

試驗方法遵循GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》[7]的要求。試驗溫度為(285±2)℃，重復試驗2次，試件承受的交變應力幅值為1 940 MPa。

1.2 試驗結果

試件1和試件2在上述試驗方法下，循環次數分別為6 852、4 015次。圖1和圖2為試驗時試件1和試件2加載載荷與所循環次數關系圖。圖1 試件1載荷峰谷值-循環次數圖2 試件2載荷峰谷值-循環次數

2 疲勞分析方法
采用RCC-M規范ZII 150中試驗分析法。試驗中，所承受的zui小循環次數和試驗載荷分別由規定的使用循環次數乘以系數KTN和規定的使用載荷乘以系數KTS來確定。

(1) 在RCC-M規范中的疲勞曲線圖ZI4.2的疲勞曲線上取D點，橫坐標值與規定的使用循環次數ND一樣；過該點作一豎直線，在其上取其縱坐標值等于KsSaD的一點A(見圖3)。

(2) 延長過D點的水平線至點B，使B點的橫坐標為Kn×ND(見圖3)。

圖3 試驗參數的系數結構線圖

(3) 連接AB，在AB上任取一點C(見圖3)，系數KTS和KTN定義為：

KTS=C點縱坐標/D點縱坐標；

KTN=C點橫坐標/D點橫坐標；

PT(試驗載荷)=KTS×規定的使用載荷；

NT (zui小循環次數)=KTN×規定的使用循環次數；

其中，Kn和Ks的數值可由反映尺寸、表面光潔度、溫度和所進行重復試驗次數的影響因子確定，按式

式中：Ksl為疲勞壽命的尺寸效應因子，Ksl=1.5-0.5·(LM/LP)，LM/LP為模型和原型線度尺寸比；Ksf為表面光潔因子，Ksf=1.175-0.175(SFM/SFP)，SFM/SFP為模型和原型表面光潔度之比；Kst只在不同溫度對應的疲勞曲線時考慮，如果試驗溫度低于所考慮瞬態過程溫度的zui高值，Kst=[試驗溫度下的Sa(N)或εa(N)]/[所考慮瞬態zui高溫度下的Sa(N)或εa(N)]，否則取Kst =1；Kss為試驗結果的統計離散因子，Kss =1.470-0.044×試驗重復次數。 高壓鍛鋼截止閥是一種常用的截斷閥閥門種類，主要用來接通或截斷管路中的介質，一般不用于調節流量。
鍛造截止閥適用的壓力、溫度范圍很大，鍛鋼法蘭截止閥適用于小口徑的管道，密封面不易磨損、擦傷，密封性能好，啟閉時閥瓣行程小，啟閉時間較短，閥門高度較小。
鍛鋼截止閥是指閥芯（閥瓣）圍繞閥座中心線上下運動，閥體采用鍛造加工，碳鋼閥體的外表面采用磷化發黑處理的截止閥。根據閥芯的這種移動形式，閥座流道的變化是與閥芯行程成比例關系。由于該截止閥的閥桿開啟或關閉行程相對較短，并具有可靠的切斷密封功能，又因閥座流道的變化與閥芯的行程成比例關系，故比較適合于對流量的調節。因此，這種類型的閥門較適合作為切斷閥、調節閥或者節流閥使用。

鍛鋼截止閥型號選取原則
1、高溫、高壓介質的管路或設備裝置上宜選用截止閥。如火電廠、核電站、石油化工、蒸汽系統的高溫、高壓管路上。
2、管路上對流阻要求不嚴的系統上。即對壓力損失考慮不大的地方。
3、小型閥門可選用針閥、儀表閥、取樣閥、壓力計閥等。
4、有流量調節或壓力調節，但對調節精度要求不高，而且管路直徑又比較小，如公稱通經≤50mm 的管路上適用。
5、超高壓環境下，公稱壓力PN16.0MPa -PN32.0MPa 的高壓角式截止閥或高壓角式節流閥。
6、氧化鋁等冶金生產中的脫硅車間、易結焦的管路上，閥體分開式、閥座可去處的、硬質合金密封副的直流式截止閥或直流式節流閥。
7、管道建設中的供水、供熱工程上，公稱通經較小的管路，可選用截止、平衡閥或柱塞閥，如公稱通經小于150mm的管路上。計算Ks時不得使用小于1.0的Ksl、Ksf、Kst和Kss值。

3 分析評定及結果
根據RCC-M B3600的方法進行疲勞分析得到：3RCP042與截止閥門連接焊縫累積疲勞使用系數為1.776，4RCP042與截止閥門連接焊縫累積疲勞使用系數為1.993(見表1)。累積疲勞使用系數都超出規范要求的許用限值，保守取4RCP042與截止閥門連接焊縫進行疲勞試驗分析評定；該處焊縫實際承受的zui嚴厲載荷對為21-31(A1-F2，見圖4)，載荷對A1-F2產生的疲勞使用系數為1.19，對應的交變應力為1 525 MPa，循環次數為190次(見圖5)。

表1 上充管RCP042與截止閥門連接焊縫

按RCC-M B3600方法進行的疲勞分析結果單元節點累積疲勞使用系數許用限值圖4 瞬態A1和F2的溫度曲線圖圖5 4RCP042與截止閥連接位置焊縫按RCC-M B3600方法進行的疲勞分析結果在疲勞曲線圖ZI4.2上找出D點，坐標為(190,1 300)；然后確定Ks，Kn：尺寸效應因子中,模型和原型線度尺寸比LM/LP取1：

在疲勞曲線圖ZI4.2中找出A點(190，Ks×1 300)和B點(Kn×190，1 300)，并連接A、B點(見圖6)。在 段上任選一點計算系數KTS和KTN，選取B點進行分析：KTS=1；KTN=4.02。因此，試驗要求交變應力PT為1 525 MPa時，zui小循環次數NT為764次；而實際試驗中交變應力為1 940 MPa，兩個試驗件的疲勞循環次數分別為4 015次和6 852次；保守選取4 015次進行分析，因此載荷對A1-F2產生的疲勞使用系數可重新計算為(764/4 015)=0.19，4RCP042與截止閥連接焊縫總的累積疲勞使用系數為(1.993-1.19)+0.19=0.993，該累積疲勞使用系數滿足規范要求。圖6 試驗結果分析參數選取圖

4 結論
根據RCC-M B3600方法進行的疲勞分析以及疲勞試驗結果，采用試驗分析法對此核電廠上充管RCP042與截止閥連接位置焊縫疲勞強度進行了優化分析評定，分析結果表明上充管RCP042與截止閥連接焊縫疲勞強度滿足RCC-M規范要求。上充管與截止閥門連接焊縫的疲勞試驗以及試驗分析方法，為國內其他核電廠上充管與截止閥門連接焊縫疲勞分析提供了參考，為解決國內其他核電廠此類焊縫總的累積疲勞使用系數較大問題提供了有效的解決方法。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥