小口径截止阀波纹管结构的改进

陈晨，朱义芳
(1.兰州理工大学，甘肃兰州 730050; 2.中核苏阀科技实业股份有限公司，江苏苏州 215001; 3.江苏星河阀门有限公司，江苏扬中 212215)

摘要:分析了核二级小口径手动截止阀寿命试验时波纹管焊缝破损和失稳的原因，介绍了波纹管结构及焊缝结构改进后顺利通过寿命试验，满足了核电厂对阀门的预期要求。

关键词:核电站用阀;截止阀;波纹管;结构;改进

1 概述

核电站用核级阀门的承压边界完整性和运行可靠性具有较高的要求。在核二级小口径波纹管截止阀(简称截止阀—下同)研发的鉴定试验中，波纹管结构不能满足技术规格书的寿命要求，在冷态运行循环鉴定试验过程中波纹管组件发生破损。通过对波纹管组件结构的优化改进，成功完成了截止阀的所有鉴定试验。

2 工况条件

截止阀的核安全等级为2级，口径为DN8，工作介质为反应堆冷却剂、硼酸溶液和软化水等。设计压力为17.2MPa，设计温度为150℃，抗震类别为II类，质保等级为Q1级。截止阀需要通过阀座液体密封试验、阀座低压气体密封试验、填料密封性试验、阀门强度试验、填料耐磨性试验、冷态运行循环寿命试验和热态运行循环寿命试验。冷态运行循环寿命鉴定试验的试验回路压力为25.4 MPa，温度为室温，阀门循环动作2500次。热态运行循环寿命鉴定试验的试验回路压力为15.4MPa，温度为150℃，阀门循环动作500次。

3 结构特点

截止阀阀杆采用波纹管和填料双重密封结构，阀体和阀盖连接处采用螺纹与角焊缝双重密封(图1)。波纹管两端与接头座焊接形成波纹管组件(图2)，接头座一端与阀杆焊接，另一端与阀盖焊接，从而阻断介质通过阀杆向外渗漏。波纹管是一类子午线呈波纹状的薄壁壳体，具有轴向和横向变形能力，其作用除了位移补偿外，还兼有密封功能。波纹管的失稳是一种潜在的失效模式，它将有可能导致严重的后果。

4 试验故障

试验过程中，按照冷态运行循环寿命试验方法启闭阀门至第1503次时，从波纹管目视孔处发现截止阀泄漏。截止阀解体检查发现，波纹管扭曲较为严重，波纹管与波纹管接头处的焊缝出现裂纹(图3)。力超过波纹管刚度而产生的回复力时，在其自身缺陷的作用下，波纹管就会产生大量的横向位移，即发生柱失稳。截止阀波纹管试验时承受较高内压，同时波纹管波数较多，失稳后的波纹管扭曲状态与柱失稳现象和机理相吻合。分析认为，截止阀波纹管失稳原因即为柱失稳。

5 原因分析

5. 1波纹管扭曲

波纹管的柱失稳与细长压杆的柱失稳类似，临界压力与端部的支撑条件有关。柱失稳一般发生在波纹管承受内压的情况下。波纹管随着压力的增加将产生微弯曲。此时，波纹管突出侧的承压面积大于凹陷侧的承压面积，从而产生横向分力。当横向力超过波纹管刚度而产生的回复力时，在其自身缺陷的作用下，波纹管就会产生大量的横向位移，即发生柱失稳。截止阀波纹管试验时承受较高内压，同时波纹管波数较多，失稳后的波纹管扭曲状态与柱失稳现象和机理相吻合。分析认为，截止阀波纹管失稳原因即为柱失稳。

5.2 焊缝裂纹

对焊缝进行X 200金相组织检查，检查确认焊缝中不存在裂纹、未熔合、未焊透、气孔或夹渣等缺陷(图4)。对焊缝裂纹进行扫描电镜断口观察，焊缝断口较粗糙，且有不同取向的断裂纹理，在断口上观察到典型的疲劳辉纹形貌(图5) 。

综合分析，造成波纹管焊缝裂纹有2种原因。

①由于试验压力高，在反复拉伸，压缩，升压和卸载等不断运动的情况下，波纹管焊缝内侧根部应力集中部位逐渐疲劳失效，产生疲劳裂纹源。随着试验次数的增加，疲劳裂纹逐步扩展，各层波纹管在焊缝的最薄弱部位先后撕裂，最后全部贯穿导致组件焊缝破坏。

②从波纹管焊缝结构和受力情况分析，由于波纹管随着阀杆一起运动，故波纹管既承受介质的静压力，又承受阀门的启闭力矩，而目前的焊接结构焊缝更多的承受剪应力，造成焊缝强度下降。

6 改进

6.1 波纹管结构

波纹管结构尺寸和材料性能对稳定性有一定影响，适当增加波高和减小壁厚会增大单波允许的位移量，减小波纹管总波数，有利于解决失稳问题。同时，可以采取增加壁厚、采用带支撑环的U形波纹管和选择高许用应力的材料等措施避免失稳.根据阀门实际结构，采用在不变动波纹管材质、总体长度、波距和波高的情况下，在波纹管中间增加一个支撑环(图6)，能够有效的解决波纹管柱失稳问题(鉴定试验中进行了验证)。通过有限元分析，改进后的波纹管端部偏移量明显小于改进前波纹管端部偏移量(图7)。

6.2 焊缝

参照核设施部件建造规范对波纹管连接焊缝许用形式的要求，优化设计波纹管组件焊接结构(图8)，使波纹管和接头的搭接由横向搭接转变为纵向搭接。改进后的焊缝尽量避开了最大应力和应力集中部位，以防止焊接应力与外加应力相互叠加，同时附加了刚性支承以减小焊缝承受的应力，提高焊缝抗内压的强度和寿命。通过计算校核，改进后的焊缝强度好，结构合理，承受的应力小(图9)。

7 结语

改进后，对截止阀重新进行了冷态运行循环寿命试验和热态运行循环寿命试验，其阀座液体密封试验和波纹管密封性试验均满足预期设计要求。改进后的波纹管组件使截止阀的密封性能和使用寿命得到了很大的提高，使截止阀整机完全通过了各类鉴定试验。