華龍一號核島主設備用大型液壓阻尼器研發

李 磊，錢亞鵬，湯臣杭，賀 楓，王 巖，王 園，張富源

（1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610213；2.常州格林電力機械制造有限公司，

江蘇 常州213119）

1 前言

大型液壓阻尼器是壓水堆核電廠反應堆冷卻劑系統主設備蒸汽發生器和主泵支承中的關鍵部件。在核電廠正常運行時，阻尼器允許蒸汽發生器和主泵緩慢運動且產生的阻力很小，以適應反應堆冷卻劑系統因溫度變化而產生的膨脹和收縮；在地震或事故工況（管道破裂）時，阻尼器可提供滿足要求的剛度并承受相應的動態拉、壓載荷，以約束蒸汽發生器和主泵的運動，保證蒸汽發生器和主泵的結構完整性。目前，國內的在役壓水堆核電機組蒸汽發生器和主泵用大型液壓阻尼器均為進口，嚴重依賴國外廠商。華龍一號是中國自主研發的具有完全自主知識產權的第三代壓水堆核電技術，是用于實施國家核電走出國門戰略的核電自主品牌。研制具有自主知識產權的國產大型液壓阻尼器，可解決該設備國產化和設備出口受限問題，具有重要意義。

2 設計研究

2.1 設計規范

阻尼器按2007版RCC-M[1]H篇S1級支承件進行設計、制造、檢驗和試驗。阻尼器的技術鑒定滿足NB/T20036.4—2011[2]的要求。

2.2 性能指標

研制的阻尼器包括3個型號，即ZHGL-ZN-450型、ZHGL-ZN-650型和ZHGL-ZN-850型。在事故工況下它們可承受的載荷分別為450t、650t和850t。其中，ZHGL-ZN-450型阻尼器用于蒸汽發生器水平支承、ZHGL-ZN-650型和ZHGL-ZN-850型阻尼器用于主泵水平支承。

各型號阻尼器的主要性能指標如表1所示。阻尼器在60年壽期內考慮經受累積劑量為9.75E+05Gy，有效能量為6.5MeV的γ射線。

表1 阻尼器性能指標

2.3 總體結構

阻尼器主承載油缸為單活塞桿結構，兩端扁銷頭（含關節軸承鉸接），其中頭端（活塞桿端）與被支承設備連接，尾端（后缸蓋端）與銷座連接。由于單活塞桿結構阻尼器的有桿腔和無桿腔存在容積差，當活塞處于不同行程位置時，容積差也不相同。因此另外設計了輔助油缸以補償容積差，輔助油缸的總容積大于活塞桿載面積與總行程乘積，并留有裕量。根據輔助油缸的結構及布置位置不同，設計了2種不同形式的整機結構（A型和B型）。

A型阻尼器采用獨立側向固定式輔助油缸，輔助油缸通過內部連接管路與阻尼器本體連接成一體，其結構如圖1所示。

圖1 A型阻尼器結構示意圖

該結構類型輔助油缸的工藝難度較小，但需同步考慮輔助油缸的布置方向，以防止阻尼器與支承對象發生干涉。B型阻尼器是在A型的基礎上，結合所支承設備安裝布置特點進行的優化設計。

B型阻尼器采用內置式輔油缸（將輔油缸設計在主油缸腔體內部），整機外形為圓柱形全對稱結構，其結構如圖2所示。

圖2 B型阻尼器結構示意圖

該結構類型輔助油缸雖然工藝難度較大，成本略高，但最大程度地縮小了外形尺寸，節省了整機安裝和維修操作空間。

2.4 選材

阻尼器主要承載零件包括缸體、缸蓋、活塞、活塞桿、支座、銷軸、螺栓等，所用材料屬于RCC-M規范管轄的承載部件所用材料。本項目研制阻尼器實際采用的材料為42CrMo低合金鋼鍛件。材料采購規范在完全滿足JB/T 6396[3]42CrMo鋼鍛件要求的基礎上，參照RCC-MH2000中規定的材料標準RCC-MM5150、M5170以及以往工程經驗，再提出以下附加要求：嚴格控制了S、P等有害元素含量；規定了晶粒度、非金屬夾雜物檢測要求；力學性能試樣的截取位置更加苛刻；逐件要求100%表面滲透或磁粉檢測；逐件要求100%體積進行超聲檢測；提出了理化性能、無損檢測等入廠復驗要求。

對其他非RCC-M管轄范圍內的材料根據一般工業標準選取。液壓油和密封件等非金屬材料經輻照試驗證明能承受阻尼器壽期內經受的放射性劑量。禁用含鋁、鉛、鋅和低熔點元素的材料。

2.5 強度設計

阻尼器按照H3200“S1級支承件的設計規則”進行強度設計。根據選材確定A級、C級和D級工況許用應力，并對主要承載零件進行強度設計和力學分析。

2.6 剛度設計

剛度是阻尼器的關鍵技術指標。剛度值K定義為：其所承受的載荷（Fn）與其在承載條件下測得的總變形（S）的比值，K值的允許偏差范圍為±10%。

總變形S主要由以下兩部分構成：金屬材料的彈性變形量S1、液壓油的壓縮變形量S2。按照零件設計尺寸和參數，根據虎克定律和金屬材料對應的彈性模量，運用有限元分析軟件，計算各零件在載荷下的彈性變形量；根據阻尼器的設計參數（缸徑、桿徑、行程）計算主油缸在載荷條件下拉、壓兩個工作腔的壓強值，對選定牌號的液壓油在對應壓強下的壓縮性能進行研究測試，得出苯甲基硅油的壓縮率特性曲線，并計算液壓油的壓縮變形量。

為了保證大型阻尼器產品在工程情況下批量制造時的合格率，實現剛度指標±10%允許偏差范圍的要求，創新設計了一種特殊的液壓缸活塞結構，以滿足精確控制阻尼器剛度的不同需求。

2.7 密封設計

阻尼器密封設計的主要目標是保證在運行環境（輻照、溫度等）以及規定的載荷條件下整機密封的可靠性。為了獲得可靠的密封性能，選用耐輻照性能優異的氟橡膠材質的O形密封圈，其硬度則與工作壓力相匹配；機械零件密封槽設計則采用密封系統推薦的配合精度，并嚴格控制槽底粗糙度。總體上各密封部位均精心設計了多重密封系統，密封形狀、位置經過專門的設計優化。根據密封件的安裝部位，大型阻尼器的密封分為高壓靜密封、低壓靜密封、高壓動密封、低壓動密封四大類。經試驗驗證，密封結構在1.25倍事故工況載荷對應的工作壓力下未發生泄漏。

2.8 控制閥設計

研制的阻尼器采用液壓控制原理實現減振，其結構特點可簡化為由一個單活塞桿系統的液壓裝置，分別在有桿腔和無桿腔布置了一組特殊結構的阻尼閥。在活塞運動時，液壓油通過阻尼閥在主油缸兩腔和輔油腔之間流動，液壓油流動形成的壓差決定了阻尼閥的開啟、關閉，從而控制活塞的自由位移與鎖定。

液壓阻尼器的工作原理如圖3所示。

阻尼器采用了內置一體式阻尼控制閥組，該類型阻尼閥的設計計算及制造工藝精度較高，但一經整機性能測試合格后其阻尼特性不易變化，能有效保障阻尼器的可靠性；該閥組在安裝、檢修更換方面具有良好的操作性。通過設計、計算閥組（拉、壓兩個方向）的閥體結構、閥心結構及通流截面積、背壓彈簧剛度等參數，以保證整機靜態性能（低速摩擦阻力、閉鎖速度、釋放速度）和動態性能（動態剛度、頻率響應）滿足要求。

圖3 液壓阻尼器工作原理簡圖

3 鑒定試驗

3.1 總體情況

為了確保阻尼器能在規定的運行條件和環境條件下滿足性能要求，阻尼器樣機按照NB/T20036.4—2011的規定進行了鑒定試驗。鑒定試驗包括3類：功能參數試驗、老化試驗、環境試驗。

阻尼器樣機鑒定試驗順序如下：試驗前的檢查、功能參數試驗、老化試驗、環境試驗、中間檢查、功能參數試驗、試驗后拆解檢查。所有試驗均在同一臺阻尼器上進行。

試驗前檢查包括所有組件的尺寸檢查、記錄且與試驗后檢查的尺寸比較。

中間檢查包括檢查零部件、緊固件及連接件等有無松動、斷裂和腐蝕，并注意液壓油是否存在損失的跡象，中間檢查時不進行修理或其他減輕劣化的活動。

3.2 功能參數試驗

功能參數試驗包括行程測量、低速移動阻力試驗、閉鎖試驗、釋放速度試驗、泄漏（密封性）試驗、擺動試驗、剛度試驗。功能參數試驗在20℃、40℃、60℃、80℃和100℃下分別進行。

3.3 老化試驗

老化試驗包括事故工況載荷耐久性試驗、微振耐久性試驗、疲勞試驗、振動試驗。事故工況載荷耐久性試驗測試阻尼器在事故工況載荷重復作用下的性能，對阻尼器施加事故工況拉、壓載荷各60次。微振耐久性試驗測試阻尼器在往復運動后的性能，對阻尼器施加振幅小于等于2mm的交變載荷振動50000次。疲勞試驗測試阻尼器經受反復載荷后的性能，對阻尼器施加0.5倍事故工況載荷振動20000次。振動試驗測試阻尼器在不同頻率的循環載荷作用下的振動特性，試驗施加的動態循環載荷頻率為3～33Hz（間隔為3Hz），每一頻率下試驗持續時間不短于10s，載荷振幅根據試驗臺能力確定為1000kN。

3.4 環境試驗

環境試驗包括高溫試驗、高濕度試驗、鹽水噴霧腐蝕試驗、硼酸噴淋試驗、粉塵試驗和輻照試驗。試驗參數模擬阻尼器在核電站發生失水事故后的環境條件，其中環境溫度最高達156℃。

3.5 試驗結果

老化試驗和環境試驗前、后的全部阻尼器功能參數試驗結果均滿足設計要求。試驗完成后，目視檢驗阻尼器，未發生漏油、緊固件松弛、損傷等異常現象。試驗后拆解阻尼器，各部件無目視可見損傷；測量活塞、缸體、缸蓋、銷軸等關鍵部件尺寸，與試驗前測得的尺寸進行比較，無明顯變化。

4 結論

華龍一號核島主設備用大型液壓阻尼器的研發實現了預期目標。研發的3種型號的阻尼器各項技術性能經鑒定，完全滿足華龍一號核電機組的要求，可應用于華龍一號核電工程。