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核电厂高温高压截止阀焊接工艺 高温高压截止阀焊接工艺 核电厂高压截止阀焊接工艺

之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍核电厂高温高压截止阀焊接工艺核电厂上充管所经历的温度瞬态变化较剧烈，从而导致上充管与截止阀门连接焊缝按RCC-M规范B3600的方法进行疲劳分析时，总的累积疲劳使用系数较大，超出了RCC-M规范的许用限值，不满足RCC-M规范要求。因此，需要对上充管与截止阀门连接焊缝疲劳分析进行优化。对国内某核电厂上充管RCP042与截止阀门连接焊缝进行了高温疲劳试验。依据疲劳试验结果，根据RCC-M规范ZII 150，采用试验分析法对上充管RCP042与截止阀门连接焊缝的疲劳强度进行了进一步的分析评定。分析结果表明，该处焊缝疲劳强度满足RCC-M规范要求。

核电厂高温高压截止阀焊接工艺关键词：上充管焊缝; 疲劳强度; 高温疲劳试验; 试验分析法；核电站；截止阀

0 引言
核电厂一回路水温变化时，由于水的比体积的改变，回路中水的容积也在随之变化，水容积的变化必将导致稳压器水位的波动[1]。通过控制上充和下泄流量保持一回路稳压器的水位在设定值，即在不同功率下维持稳压器的程序水位、保持一回路水容积[2]。在安全注入的情况下，化容系统上充泵作为高压安注泵运行，容积控制箱RCV002BA作为上充泵的高位水箱，给上充泵提供水源和吸入压头，经过上充泵升压后，zui终通过上充管注入RCP系统一回路冷段。此外，上充回路还设有一条从再生热交换器出口到稳压器喷淋的管线，一旦反应堆冷却剂泵不能使用，该管线提供辅助喷淋能力[2]。因此，上充管所经历的温度瞬态变化较剧烈，从而导致上充管与截止阀门连接焊缝按RCC-M B3600的方法进行疲劳分析时[3]，总的累积疲劳使用系数较大。

上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀国内某核电厂上充管3RCP042和4RCP042与截止阀门连接焊缝按RCC-M B3600的方法进行疲劳分析，载荷对21-31(温度瞬态)对该连接焊缝产生的疲劳使用系数较大(已超过1)，导致总的累积疲劳使用系数超出了RCC-M规范[4]许用限值。

为此，对该核电厂的上充管RCP042与截止阀门连接焊缝进行了高温疲劳试验[5]；依据疲劳试验结果，根据RCC-M规范ZII 150，采用试验分析法对其疲劳强度进行进一步的分析评定。

1 试验方法及结果
1.1 试件及试验方法

试件母材与对应产品母材零件状态相同，试件焊材与现场产品焊接用的焊材型号相同。焊接接头为Z2CN1810和Z2CND1812+N2的管道环焊缝对接，焊接工艺[6]与现场产品焊接工艺一致，都为手工TIG焊。连接焊缝位置与实际结构保持几何相似，影响焊缝位置应力的邻近位置也保持几何相似；考虑到阀门结构复杂，制作试件时阀门采用管结构模拟，但连接处主要结构尺寸相同。

试验方法遵循GB/T 15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》[7]的要求。试验温度为(285±2)℃，重复试验2次，试件承受的交变应力幅值为1 940 MPa。

1.2 试验结果

试件1和试件2在上述试验方法下，循环次数分别为6 852、4 015次。图1和图2为试验时试件1和试件2加载载荷与所循环次数关系图。图1 试件1载荷峰谷值-循环次数图2 试件2载荷峰谷值-循环次数

2 疲劳分析方法
采用RCC-M规范ZII 150中试验分析法。试验中，所承受的zui小循环次数和试验载荷分别由规定的使用循环次数乘以系数KTN和规定的使用载荷乘以系数KTS来确定。

(1) 在RCC-M规范中的疲劳曲线图ZI4.2的疲劳曲线上取D点，横坐标值与规定的使用循环次数ND一样；过该点作一竖直线，在其上取其纵坐标值等于KsSaD的一点A(见图3)。

(2) 延长过D点的水平线至点B，使B点的横坐标为Kn×ND(见图3)。

图3 试验参数的系数结构线图

(3) 连接AB，在AB上任取一点C(见图3)，系数KTS和KTN定义为：

KTS=C点纵坐标/D点纵坐标；

KTN=C点横坐标/D点横坐标；

PT(试验载荷)=KTS×规定的使用载荷；

NT (zui小循环次数)=KTN×规定的使用循环次数；

其中，Kn和Ks的数值可由反映尺寸、表面光洁度、温度和所进行重复试验次数的影响因子确定，按式

式中：Ksl为疲劳寿命的尺寸效应因子，Ksl=1.5-0.5·(LM/LP)，LM/LP为模型和原型线度尺寸比；Ksf为表面光洁因子，Ksf=1.175-0.175(SFM/SFP)，SFM/SFP为模型和原型表面光洁度之比；Kst只在不同温度对应的疲劳曲线时考虑，如果试验温度低于所考虑瞬态过程温度的zui高值，Kst=[试验温度下的Sa(N)或εa(N)]/[所考虑瞬态zui高温度下的Sa(N)或εa(N)]，否则取Kst =1；Kss为试验结果的统计离散因子，Kss =1.470-0.044×试验重复次数。 高压锻钢截止阀是一种常用的截断阀阀门种类，主要用来接通或截断管路中的介质，一般不用于调节流量。
锻造截止阀适用的压力、温度范围很大，锻钢法兰截止阀适用于小口径的管道，密封面不易磨损、擦伤，密封性能好，启闭时阀瓣行程小，启闭时间较短，阀门高度较小。
锻钢截止阀是指阀芯（阀瓣）围绕阀座中心线上下运动，阀体采用锻造加工，碳钢阀体的外表面采用磷化发黑处理的截止阀。根据阀芯的这种移动形式，阀座流道的变化是与阀芯行程成比例关系。由于该截止阀的阀杆开启或关闭行程相对较短，并具有可靠的切断密封功能，又因阀座流道的变化与阀芯的行程成比例关系，故比较适合于对流量的调节。因此，这种类型的阀门较适合作为切断阀、调节阀或者节流阀使用。

锻钢截止阀型号选取原则
1、高温、高压介质的管路或设备装置上宜选用截止阀。如火电厂、核电站、石油化工、蒸汽系统的高温、高压管路上。
2、管路上对流阻要求不严的系统上。即对压力损失考虑不大的地方。
3、小型阀门可选用针阀、仪表阀、取样阀、压力计阀等。
4、有流量调节或压力调节，但对调节精度要求不高，而且管路直径又比较小，如公称通经≤50mm 的管路上适用。
5、超高压环境下，公称压力PN16.0MPa -PN32.0MPa 的高压角式截止阀或高压角式节流阀。
6、氧化铝等冶金生产中的脱硅车间、易结焦的管路上，阀体分开式、阀座可去处的、硬质合金密封副的直流式截止阀或直流式节流阀。
7、管道建设中的供水、供热工程上，公称通经较小的管路，可选用截止、平衡阀或柱塞阀，如公称通经小于150mm的管路上。计算Ks时不得使用小于1.0的Ksl、Ksf、Kst和Kss值。

3 分析评定及结果
根据RCC-M B3600的方法进行疲劳分析得到：3RCP042与截止阀门连接焊缝累积疲劳使用系数为1.776，4RCP042与截止阀门连接焊缝累积疲劳使用系数为1.993(见表1)。累积疲劳使用系数都超出规范要求的许用限值，保守取4RCP042与截止阀门连接焊缝进行疲劳试验分析评定；该处焊缝实际承受的zui严厉载荷对为21-31(A1-F2，见图4)，载荷对A1-F2产生的疲劳使用系数为1.19，对应的交变应力为1 525 MPa，循环次数为190次(见图5)。

表1 上充管RCP042与截止阀门连接焊缝

按RCC-M B3600方法进行的疲劳分析结果单元节点累积疲劳使用系数许用限值图4 瞬态A1和F2的温度曲线图图5 4RCP042与截止阀连接位置焊缝按RCC-M B3600方法进行的疲劳分析结果在疲劳曲线图ZI4.2上找出D点，坐标为(190,1 300)；然后确定Ks，Kn：尺寸效应因子中,模型和原型线度尺寸比LM/LP取1：

在疲劳曲线图ZI4.2中找出A点(190，Ks×1 300)和B点(Kn×190，1 300)，并连接A、B点(见图6)。在 段上任选一点计算系数KTS和KTN，选取B点进行分析：KTS=1；KTN=4.02。因此，试验要求交变应力PT为1 525 MPa时，zui小循环次数NT为764次；而实际试验中交变应力为1 940 MPa，两个试验件的疲劳循环次数分别为4 015次和6 852次；保守选取4 015次进行分析，因此载荷对A1-F2产生的疲劳使用系数可重新计算为(764/4 015)=0.19，4RCP042与截止阀连接焊缝总的累积疲劳使用系数为(1.993-1.19)+0.19=0.993，该累积疲劳使用系数满足规范要求。图6 试验结果分析参数选取图

4 结论
根据RCC-M B3600方法进行的疲劳分析以及疲劳试验结果，采用试验分析法对此核电厂上充管RCP042与截止阀连接位置焊缝疲劳强度进行了优化分析评定，分析结果表明上充管RCP042与截止阀连接焊缝疲劳强度满足RCC-M规范要求。上充管与截止阀门连接焊缝的疲劳试验以及试验分析方法，为国内其他核电厂上充管与截止阀门连接焊缝疲劳分析提供了参考，为解决国内其他核电厂此类焊缝总的累积疲劳使用系数较大问题提供了有效的解决方法。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀