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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(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)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(jīng)歷的溫度瞬態(tài)變化較劇烈，從而導(dǎo)致上充管與截止閥門連接焊縫按RCC-M規(guī)范B3600的方法進(jìn)行疲勞分析時(shí)，總的累積疲勞使用系數(shù)較大，超出了RCC-M規(guī)范的許用限值，不滿足RCC-M規(guī)范要求。因此，需要對(duì)上充管與截止閥門連接焊縫疲勞分析進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)國內(nèi)某核電廠上充管RCP042與截止閥門連接焊縫進(jìn)行了高溫疲勞試驗(yàn)。依據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)RCC-M規(guī)范ZII 150，采用試驗(yàn)分析法對(duì)上充管RCP042與截止閥門連接焊縫的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了進(jìn)一步的分析評(píng)定。分析結(jié)果表明，該處焊縫疲勞強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范要求。

核電廠高溫高壓截止閥焊接工藝關(guān)鍵詞：上充管焊縫; 疲勞強(qiáng)度; 高溫疲勞試驗(yàn); 試驗(yàn)分析法；核電站；截止閥

0 引言
核電廠一回路水溫變化時(shí)，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(dǎo)致穩(wěn)壓器水位的波動(dòng)[1]。通過控制上充和下泄流量保持一回路穩(wěn)壓器的水位在設(shè)定值，即在不同功率下維持穩(wěn)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(tǒng)上充泵作為高壓安注泵運(yùn)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(jīng)過上充泵升壓后，zui終通過上充管注入RCP系統(tǒng)一回路冷段。此外，上充回路還設(shè)有一條從再生熱交換器出口到穩(wěn)壓器噴淋的管線，一旦反應(yīng)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(jīng)歷的溫度瞬態(tài)變化較劇烈，從而導(dǎo)致上充管與截止閥門連接焊縫按RCC-M B3600的方法進(jìn)行疲勞分析時(shí)[3]，總的累積疲勞使用系數(shù)較大。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥國內(nèi)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(jìn)行疲勞分析，載荷對(duì)21-31(溫度瞬態(tài))對(duì)該連接焊縫產(chǎn)生的疲勞使用系數(shù)較大(已超過1)，導(dǎo)致總的累積疲勞使用系數(shù)超出了RCC-M規(guī)范[4]許用限值。

為此，對(duì)該核電廠的上充管RCP042與截止閥門連接焊縫進(jìn)行了高溫疲勞試驗(yàn)[5]；依據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)RCC-M規(guī)范ZII 150，采用試驗(yàn)分析法對(duì)其疲勞強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析評(píng)定。

1 試驗(yàn)方法及結(jié)果
1.1 試件及試驗(yàn)方法

試件母材與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品母材零件狀態(tài)相同，試件焊材與現(xiàn)場產(chǎn)品焊接用的焊材型號(hào)相同。焊接接頭為Z2CN1810和Z2CND1812+N2的管道環(huán)焊縫對(duì)接，焊接工藝[6]與現(xiàn)場產(chǎn)品焊接工藝一致，都為手工TIG焊。連接焊縫位置與實(shí)際結(jié)構(gòu)保持幾何相似，影響焊縫位置應(yīng)力的鄰近位置也保持幾何相似；考慮到閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作試件時(shí)閥門采用管結(jié)構(gòu)模擬，但連接處主要結(jié)構(gòu)尺寸相同。

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

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試件1和試件2在上述試驗(yàn)方法下，循環(huán)次數(shù)分別為6 852、4 015次。圖1和圖2為試驗(yàn)時(shí)試件1和試件2加載載荷與所循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。圖1 試件1載荷峰谷值-循環(huán)次數(shù)圖2 試件2載荷峰谷值-循環(huán)次數(shù)

2 疲勞分析方法
采用RCC-M規(guī)范ZII 150中試驗(yàn)分析法。試驗(yàn)中，所承受的zui小循環(huán)次數(shù)和試驗(yàn)載荷分別由規(guī)定的使用循環(huán)次數(shù)乘以系數(shù)KTN和規(guī)定的使用載荷乘以系數(shù)KTS來確定。

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

(2) 延長過D點(diǎn)的水平線至點(diǎn)B，使B點(diǎn)的橫坐標(biāo)為Kn×ND(見圖3)。

圖3 試驗(yàn)參數(shù)的系數(shù)結(jié)構(gòu)線圖

(3) 連接AB，在AB上任取一點(diǎn)C(見圖3)，系數(shù)KTS和KTN定義為：

KTS=C點(diǎn)縱坐標(biāo)/D點(diǎn)縱坐標(biāo)；

KTN=C點(diǎn)橫坐標(biāo)/D點(diǎn)橫坐標(biāo)；

PT(試驗(yàn)載荷)=KTS×規(guī)定的使用載荷；

NT (zui小循環(huán)次數(shù))=KTN×規(guī)定的使用循環(huán)次數(shù)；

其中，Kn和Ks的數(shù)值可由反映尺寸、表面光潔度、溫度和所進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)的影響因子確定，按式

式中：Ksl為疲勞壽命的尺寸效應(yīng)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(duì)應(yīng)的疲勞曲線時(shí)考慮，如果試驗(yàn)溫度低于所考慮瞬態(tài)過程溫度的zui高值，Kst=[試驗(yàn)溫度下的Sa(N)或εa(N)]/[所考慮瞬態(tài)zui高溫度下的Sa(N)或εa(N)]，否則取Kst =1；Kss為試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)離散因子，Kss =1.470-0.044×試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)。 高壓鍛鋼截止閥是一種常用的截?cái)嚅y閥門種類，主要用來接通或截?cái)喙苈分械慕橘|(zhì)，一般不用于調(diào)節(jié)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(shí)閥瓣行程小，啟閉時(shí)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(yùn)動(dòng)，閥體采用鍛造加工，碳鋼閥體的外表面采用磷化發(fā)黑處理的截止閥。根據(jù)閥芯的這種移動(dòng)形式，閥座流道的變化是與閥芯行程成比例關(guān)系。由于該截止閥的閥桿開啟或關(guān)閉行程相對(duì)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(guān)系，故比較適合于對(duì)流量的調(diào)節(jié)。因此，這種類型的閥門較適合作為切斷閥、調(diào)節(jié)閥或者節(jié)流閥使用。

鍛鋼截止閥型號(hào)選取原則
1、高溫、高壓介質(zhì)的管路或設(shè)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(tǒng)的高溫、高壓管路上。
2、管路上對(duì)流阻要求不嚴(yán)的系統(tǒng)上。即對(duì)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(jì)閥等。
4、有流量調(diào)節(jié)或壓力調(diào)節(jié)，但對(duì)調(diào)節(jié)精度要求不高，而且管路直徑又比較小，如公稱通經(jīng)≤50mm 的管路上適用。
5、超高壓環(huán)境下，公稱壓力PN16.0MPa -PN32.0MPa 的高壓角式截止閥或高壓角式節(jié)流閥。
6、氧化鋁等冶金生產(chǎn)中的脫硅車間、易結(jié)焦的管路上，閥體分開式、閥座可去處的、硬質(zhì)合金密封副的直流式截止閥或直流式節(jié)流閥。
7、管道建設(shè)中的供水、供熱工程上，公稱通經(jīng)較小的管路，可選用截止、平衡閥或柱塞閥，如公稱通經(jīng)小于150mm的管路上。計(jì)算Ks時(shí)不得使用小于1.0的Ksl、Ksf、Kst和Kss值。

3 分析評(píng)定及結(jié)果
根據(jù)RCC-M B3600的方法進(jìn)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(shù)為1.776，4RCP042與截止閥門連接焊縫累積疲勞使用系數(shù)為1.993(見表1)。累積疲勞使用系數(shù)都超出規(guī)范要求的許用限值，保守取4RCP042與截止閥門連接焊縫進(jìn)行疲勞試驗(yàn)分析評(píng)定；該處焊縫實(shí)際承受的zui嚴(yán)厲載荷對(duì)為21-31(A1-F2，見圖4)，載荷對(duì)A1-F2產(chǎn)生的疲勞使用系數(shù)為1.19，對(duì)應(yīng)的交變應(yīng)力為1 525 MPa，循環(huán)次數(shù)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(jìn)行的疲勞分析結(jié)果單元節(jié)點(diǎn)累積疲勞使用系數(shù)許用限值圖4 瞬態(tài)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(jìn)行的疲勞分析結(jié)果在疲勞曲線圖ZI4.2上找出D點(diǎn)，坐標(biāo)為(190,1 300)；然后確定Ks，Kn：尺寸效應(yīng)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(diǎn)(190，Ks×1 300)和B點(diǎn)(Kn×190，1 300)，并連接A、B點(diǎn)(見圖6)。在 段上任選一點(diǎn)計(jì)算系數(shù)KTS和KTN，選取B點(diǎn)進(jìn)行分析：KTS=1；KTN=4.02。因此，試驗(yàn)要求交變應(yīng)力PT為1 525 MPa時(shí)，zui小循環(huán)次數(shù)NT為764次；而實(shí)際試驗(yàn)中交變應(yīng)力為1 940 MPa，兩個(gè)試驗(yàn)件的疲勞循環(huán)次數(shù)分別為4 015次和6 852次；保守選取4 015次進(jìn)行分析，因此載荷對(duì)A1-F2產(chǎn)生的疲勞使用系數(shù)可重新計(jì)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(shù)為(1.993-1.19)+0.19=0.993，該累積疲勞使用系數(shù)滿足規(guī)范要求。圖6 試驗(yàn)結(jié)果分析參數(shù)選取圖

4 結(jié)論
根據(jù)RCC-M B3600方法進(jìn)行的疲勞分析以及疲勞試驗(yàn)結(jié)果，采用試驗(yàn)分析法對(duì)此核電廠上充管RCP042與截止閥連接位置焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化分析評(píng)定，分析結(jié)果表明上充管RCP042與截止閥連接焊縫疲勞強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范要求。上充管與截止閥門連接焊縫的疲勞試驗(yàn)以及試驗(yàn)分析方法，為國內(nèi)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(nèi)其他核電廠此類焊縫總的累積疲勞使用系數(shù)較大問題提供了有效的解決方法。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥