一種凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥制造技術(shù)

張 賢 花柳鵬

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100094；2.國核示范電站有限責(zé)任公司，威海 264300）

常規(guī)島熱力系統(tǒng)是“熱能-電能”轉(zhuǎn)換的主系統(tǒng)。蒸汽從蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生后，通過主蒸汽和旁路系統(tǒng)進(jìn)入常規(guī)島，在汽輪機(jī)中做功后被冷凝成凝結(jié)水，并通過凝結(jié)水系統(tǒng)輸送至除氧器進(jìn)行熱力除氧，最后通過給水系統(tǒng)送回蒸汽發(fā)生器完成汽水循環(huán)。文章中的常規(guī)島熱力系統(tǒng)的凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥在二回路的主要熱力系統(tǒng)里有調(diào)節(jié)液位和保護(hù)給水泵等關(guān)鍵作用，可以控制整個(gè)二回路熱力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

目前，CAP1400常規(guī)島多數(shù)凝結(jié)水系統(tǒng)主要包括1臺三殼體的凝汽器、3臺50%容量的凝結(jié)水泵、4級低壓加熱器、1臺除氧器、調(diào)節(jié)閥以及相關(guān)的系統(tǒng)儀表[1]。凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)3臺50%容量的凝結(jié)水泵。在正常負(fù)荷運(yùn)行下，2臺泵工作，另1臺泵處于自啟動的備用狀態(tài)。凝結(jié)水系統(tǒng)通過凝結(jié)水母管上的凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器的主凝結(jié)水流量。

在機(jī)組啟動或者低負(fù)荷運(yùn)行階段，凝結(jié)水流量小于額定值，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)水流量，保證最小流量值的凝結(jié)水量可以通過凝結(jié)水泵和軸封加熱器帶走凝結(jié)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，避免凝結(jié)水泵發(fā)生汽蝕，并保證汽輪機(jī)軸封漏氣在軸封加熱器內(nèi)的正常凝結(jié)[2]。機(jī)組運(yùn)行期間，凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥因某些故障原因被調(diào)小，將會出現(xiàn)凝結(jié)水流量減少、除氧器液位降低以及功率波動等異常情況，影響機(jī)組的安全運(yùn)行[3]。凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥的性能會影響核電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。盡管我國的閥門設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)具備一定基礎(chǔ)，取得了一定成績[4]，但核電裝備閥門行業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平仍落后于發(fā)達(dá)國家，各類閥門的可靠性和配套能力與國際水平仍有一定差距。目前，我國大型關(guān)鍵閥門仍依賴于國外進(jìn)口。

本文根據(jù)閥門的設(shè)計(jì)方案，提出針對常規(guī)島凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制造技術(shù)。

1 鑄件鑄造工藝控制

閥體鑄件鑄造時(shí)容易產(chǎn)生縮松、夾渣以及氣孔等缺陷。為滿足質(zhì)量要求，需進(jìn)行鑄造工藝的合理優(yōu)化研究。鑄造時(shí)采用氬氧脫碳法（Argonoxygen Decarburization，AOD）精煉，嚴(yán)格控制型砂、熔煉澆注及熱處理等工藝參數(shù)，并制定氣孔、掉砂、夾渣及粘砂缺陷的預(yù)防和補(bǔ)焊措施。

2 零部件熱處理

為避免熱處理過程中出現(xiàn)溫度不夠、加熱時(shí)間過長或過短影響材料組織和性能的問題，通過計(jì)算機(jī)和熱電偶控制熱處理的溫度和時(shí)間，保證材料熱處理參數(shù)符合熱處理的工藝要求。

2.1 凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥的閥塞部件加工

閥塞部件由閥桿和閥塞組裝焊接而成。該部件組成基材類別為S20910+630。閥塞配細(xì)長型閥桿，當(dāng)緊固連接螺紋孔與閥塞定位導(dǎo)向孔不同心時(shí)，容易導(dǎo)致整個(gè)部件精度嚴(yán)重超標(biāo)。閥桿表面的硬度和耐磨性會影響閥門填料密封的使用壽命和可靠性。若閥桿相對閥塞產(chǎn)生軸向偏擺（0.4～2.0 mm），則引發(fā)整機(jī)泄漏超標(biāo)。因此，需要通過以下工藝保證其制造精度。

2.1.1 閥桿表面硬化處理

閥桿的材質(zhì)為S20910，有著強(qiáng)度高和加工性能好的優(yōu)勢，但是本身硬度不高，通常小于35 HRC。預(yù)加工后采用Ni50合金對閥桿表面進(jìn)行熱噴涂，噴涂厚度為0.75 mm。經(jīng)車削和精磨后，可以滿足閥桿同軸度Φ0.03 mm的要求，并使閥桿與填料密封接觸面表面硬度達(dá)到50 HRC，防止閥桿與填料接觸的密封配副表面經(jīng)長期使用后出現(xiàn)磨損和拉傷現(xiàn)象。

2.1.2 閥塞部件軸肩定位裝配及同軸度加工

閥塞部件由閥桿和半成品閥塞組成。兩者采用螺紋進(jìn)行連接，采用氬弧焊焊接緊固。焊接熱量會導(dǎo)致閥桿的變形偏心。為防止產(chǎn)生這種現(xiàn)象，在裝配設(shè)計(jì)上以閥桿軸肩定位，保證閥桿垂直于閥塞，減少基準(zhǔn)面，提高閥桿的垂直度。在加工閥塞部件時(shí)，設(shè)有專用軸向定位工裝，保證裝夾和軸向受力均勻，避免產(chǎn)生徑向夾持變形和徑向夾持應(yīng)力，使得整個(gè)部件加工尺寸和精度完全可控，大大提高了部件的加工效率和精度。

2.1.3 閥塞部件導(dǎo)向面光整

為滿足閥塞部件導(dǎo)向表面粗糙度的設(shè)計(jì)要求，閥塞采用“半精車+精車+光整”工藝，利用電致伸縮輔助設(shè)備進(jìn)行表面光整工藝，抗振動性好且不受溫度、濕度以及機(jī)床電流忽變的影響，同時(shí)能提高工件的耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能。

2.2 凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥節(jié)流組件加工

2.2.1 閥桿表面硬化處理

套筒部件的加工重要且復(fù)雜。它的加工精度直接關(guān)系閥門整機(jī)的流量特性。各層套筒節(jié)流小孔的位置和角度形位公差的要求較高，孔數(shù)量多，且孔徑和深度不同，加工難度大。采用五軸數(shù)控加工中心一次裝夾，每道工序建立三維模型編程完成加工，保證孔系角度形位公差，避免二次裝夾，提高了加工效率。

2.2.2 套筒部件圓周分段焊接

各層套筒預(yù)加工完成后，經(jīng)過480 ℃±5 ℃的沉淀硬化熱處理，尺寸會發(fā)生一定變化。此外，組裝焊接也會導(dǎo)致零件變形。為保證套筒部件最終的設(shè)計(jì)尺寸，各工序間均留有余量。需要注意，要防止余量不足導(dǎo)致整個(gè)零件報(bào)廢。但是，多道工序的余量累積會出現(xiàn)加工困難和效率低的問題。運(yùn)用圓周均勻分段氬弧焊的焊接方案（焊接方式如圖1所示，焊接角度如圖2所示），可以減少閥塞部件的焊接變形，避免拉裂發(fā)生。

圖1 焊接方式

圖2 焊接角度

2.2.3 套筒部件深孔磨削

套筒內(nèi)孔磨削的加工工藝可以實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)向面尺寸精度和表面粗糙度的要求。DN500凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥套筒部件的內(nèi)孔Φ500 mm、孔深348 mm。精密的孔系結(jié)構(gòu)增加了磨削加工難度。設(shè)計(jì)專用軸向工裝裝夾，在立式數(shù)控磨床設(shè)備中依據(jù)工件尺寸精度、磨削量、磨削深度預(yù)磨削、基材、硬度以及設(shè)備等進(jìn)行綜合分析，修正程序并固化磨削的主要參數(shù)，如表3所示。設(shè)備坐標(biāo)軸簡圖，如圖4所示。經(jīng)過多次磨削和拋光，加工至圖紙要求的設(shè)計(jì)尺寸。

表3 磨削加工主要參數(shù)表

圖4 設(shè)備坐標(biāo)軸簡圖

3 樣閥整體裝配工藝

根據(jù)閥門設(shè)計(jì)方案和制造技術(shù)的研究，完成了樣閥的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。制造過程中解決了多重套筒孔系高效加工、焊接變形控制、閥桿表面硬化以及節(jié)流組件深孔磨削等工藝難題，完成了凝結(jié)水氣動主調(diào)節(jié)閥本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的1∶1實(shí)物樣閥制造及裝配[5]。凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥實(shí)物樣閥，如圖5所示。

圖5 凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥實(shí)物樣閥

4 結(jié)語

基于技術(shù)方案制造的凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥，已經(jīng)通過中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會與中國通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會組織的樣機(jī)鑒定會的鑒定評審，并取得了由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會頒發(fā)的《“凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥”科技成果鑒定證書》。常規(guī)島凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥具有自主知識產(chǎn)權(quán)，各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，可在CAP1400/CAP1000及其他核電站上推廣應(yīng)用。該研究將全面推進(jìn)常規(guī)島熱力系統(tǒng)關(guān)鍵閥門的國產(chǎn)化進(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)閥門批量化生產(chǎn)、降低閥門設(shè)備采購成本和核電站造價(jià)提供保障[6]。在提高核電站經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，它降低了國內(nèi)對國外同類產(chǎn)品的技術(shù)依賴，有利于提高國內(nèi)制造行業(yè)的整體技術(shù)水平和管理水平，增強(qiáng)國際競爭力，為實(shí)現(xiàn)核電技術(shù)自主化的總體目標(biāo)提供支撐。