核電廠主蒸汽安全閥碟形彈簧檢測工藝探究

鄭偉靜，姚 杰，陳志光

（中廣核核電運營有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

近幾年隨著國內核電的快速發展，部分新建核電機組采用了大量國外進口的Si9507H 型安全閥作為二回路主蒸汽安全閥。相對于核電廠常用的彈簧式安全閥，該類型安全閥的最大結構特點是采用了碟形彈簧替代彈簧。作為主蒸汽安全閥定期檢查維護的重要項目，其碟形彈簧的定期檢測工作需返回國外的生產廠家進行，檢測成本極高。為實現Si9507H 型主蒸汽安全閥碟形彈簧檢測的自主化及國產化，有必要研究設計合適的碟形彈簧檢測工藝。

1 系統及設備介紹

核電廠主蒸汽系統的功能是將蒸汽發生器產生的主蒸汽輸送到汽輪機、汽水分離再熱器、主給水氣動泵小汽輪機、輔助蒸汽轉換器等設備。主蒸汽系統與主給水系統和輔助給水系統配合，用于在核電廠正常運行工況、事故工況下排出一回路所產生的熱量，并向反應堆保護系統提供主蒸汽壓力和流量信號。主蒸汽管道連接在蒸汽發生器上部，其穿出安全殼后經主蒸汽隔離閥管廊進入汽機廠房。而主蒸汽安全閥則位于主蒸汽管道，為蒸汽發生器和蒸汽管線的二次側提供超壓保護，其輔助功能主要有兩個：①排出能量，防止一回路超壓和過熱；②限制蒸汽釋放數量和速度，防止堆芯過冷。

與核電廠常用的彈簧式主蒸汽安全閥不同，Si9507H 型主蒸汽安全閥采用了碟形彈簧組件替代彈簧作為整定值調整設定及閥門動作的彈力件。該類型碟形彈簧組件由上壓環、下壓環、碟片及滾珠等部件組成，其中碟片數量為8 片、為對合組合方式（圖1）。碟片與碟片之間，以及碟片與上、下壓環之間，均布置有9 層滾珠，在碟形彈簧組件裝配及動作的過程中起到保持碟片的自適應對中性的作用。

圖1 Si9507H 型安全閥碟形彈簧組件

碟形彈簧作為Si9507H型主蒸汽安全閥設備的核心部件，根據生產廠商提供的相關技術要求，需每10 個換料大修進行一次檢測工作，以確保其性能狀態良好，可在下一個服役周期內正常服役，同時對于存在的故障隱患及其發展趨勢可盡早發現、跟蹤及處理。因此，研究設計合適的碟形彈簧檢測工藝并付諸實踐應用，對于保障主蒸汽安全閥的設備可靠性有至關重要的作用。

2 主蒸汽安全閥碟形彈簧檢測工藝

根據Si9507H 型主蒸汽安全閥的結構特征及技術要求，參考國內現有碟形彈簧的標準及規范，通過理論計算及實踐試驗的方式，研究設計了碟形彈簧的檢測工藝，其工藝過程主要分為3 個部分，即碟形彈簧組件拆解前的性能試驗、碟片的磁粉檢測和碟形彈簧組件組裝后的性能試驗。

2.1 碟形彈簧組件拆解前的性能試驗

在主蒸汽安全閥解體的過程中，需使用專用的裝置將碟形彈簧組件整體取出。在組件拆解前對其先進行一次性能試驗，以判斷該碟形彈簧組件在上一個服役周期內是否出現異常，力學性能是否滿足要求，并積累該套組件的相關初始狀態數據。

依據Si9507H 型主蒸汽安全閥碟形彈簧組件的特性，對碟形彈簧試驗機的要求如下：試驗機的負荷精度不低于1%；壓板硬度大于52 HRC，表面粗糙度Ra＜1.6 μm；導向件導向表面硬大于55 HRC，表面粗糙度Ra＜3.2 μm；試驗過程中要用潤滑劑。

根據主蒸汽安全閥的動作行程（最大設計行程為360+2mm）及碟形彈簧組件性能試驗的理論曲線（圖2），設計性能試驗的具體操作步驟如下：

圖2 碟形彈簧組件性能試驗理論曲線

（1）使用試驗機對碟形彈簧組件進行預壓（預壓載荷F1由主蒸汽安全閥的設計性能及碟形彈簧的設計制造屬性決定，Si9507H型主蒸汽安全閥碟形彈簧組件的預壓載荷為124 196 N），然后釋放至自由無載荷狀態，測量無載荷狀態下碟形彈簧組件的自由高度S0并記錄。

（2）再次對碟形彈簧組件進行加載，緩慢加載至F1時，測量并記錄碟形彈簧組件的變形量S1。

（3）持續對碟形彈簧組件進行加載，使其在S1的基礎上向下壓縮50 mm（即碟形彈簧組件的壓縮量為S1+50 mm），在此過程中記錄變形量為S1+18 mm 時對應的加載載荷FX，變形量為S1+36 mm 時對應的加載載荷F2，及變形量為S1+38 mm 時對應的加載載荷F3。如果F2及F3均在［1.82F1，1.92F1］范圍內，即滿足要求。

（4）緩慢卸載碟形彈簧組件上的載荷至0 N，按變形量為0.2 mm 的間隔導出進程、回程曲線的變形量值及載荷值。

（5）根據導出數據計算相對于S1點的偏移率，如果在0.04～0.06 則滿足要求。計算方法為：

式中 δ——碟形彈簧組件相對于S1點的偏移率

FX——碟形彈簧組件變形量為S1+18 mm 時的載荷，N

FY——碟形彈簧組件變形量為S1和S1+36 mm 時的平均載荷（即FY=（F1+F2）/2），N

則δ=（2FX-F1-F2）/（F1+F2）。

2.2 碟片的磁粉檢測

當完成碟形彈簧組件拆解前性能試驗后，在進行碟片的磁粉檢測工作前，需對碟形彈簧組件進行拆解及碟片尺寸測量工作。由于Si9507H 型主蒸汽安全閥碟形彈簧組件的碟片及滾珠數量較多，因此在拆解的過程中應將碟片及滾珠分層取下并標記，以確保后續能夠原樣回裝，最大限度減小因裝配差異對組件的整體性能試驗結果產生影響。拆解工作完成后，需對每片碟片的高度及厚度進行測量，以測算碟形彈簧組件的最大理論變形量。

拆解及測量工作完成后，即可對8 片碟片進行磁粉檢測，其目的是檢查碟片的表面及近表面是否存在裂紋等缺陷。Si9507H型主蒸汽安全閥的碟片，由于其表面鍍有防腐鍍層，因此要求進行磁粉檢測的磁粉探傷機可檢測的缺陷寬度應不大于0.10 mm、檢測深度大于3.00 mm。根據碟片的特性，磁粉檢測的具體操作步驟設計如下：①對碟片進行脫脂清潔處理，并合理固定在磁粉探傷機上；②施加熒光磁懸液，并對碟片進行磁化（周向直流磁化，軸向交流磁化）；③觀察磁痕顯示，評價檢測結果（由于涂層裂紋情況存在，對于滾珠槽內的裂紋顯像，只要非貫穿性傷痕即認為合格）；④對碟片進行退磁處理（自動衰退式退磁）；⑤取下碟片，進行清理等后處理工作。

2.3 碟形彈簧組件組裝后性能試驗

對碟片完成清潔處理后，即可進行組裝工作。組裝工作需使用碟片分揀機在專用場地按照拆解過程的標記逐層原樣回裝。組裝后碟形彈簧組件的整體尺寸和拆解前不應有較大的差異。

組裝完成后需對組裝后的碟形彈簧組件進行性能試驗，其目的在于確保組裝后碟形彈簧組件的力學性能能夠滿足主蒸汽安全閥正常工作的要求。其具體操作步驟及要求與拆解前的性能試驗操作步驟一致。

3 結束語

針對Si9507H 型主蒸汽安全閥技術要求及其碟形彈簧組件的特性，研究設計了詳細的碟形彈簧檢測工藝并得到實踐應用，突破了技術壟斷，填補了Si9507H 型主蒸汽安全閥定期維護檢查的技術空缺，實現了該類型碟形彈簧組件檢測的自主化及國產化，為保障主蒸汽安全閥設備的可靠性及核電機組的安全穩定運行奠定了基礎，可為同類設備的檢測工藝設計及優化提供借鑒和參考。