CN103615547A - 一种核级小口径手动波纹管截止阀 - Google Patents

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宋忠荣
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Abstract

本发明涉及一种核级波纹管截止阀，尤其是涉及一种核级小口径手动波纹管截止阀，该截止阀包括阀体、阀盖、阀杆组件和阀芯，其中所述阀芯采用奥氏体不锈钢制成，该阀芯表面具有S相结构特征的硬化层；所述阀芯密封面采用圆锥面，其锥面角度为锐角55°～65°之间，与该阀芯对应的阀体密封面采用凹弧面，该凹弧面半径为R0.5～R2.5；所述阀芯的表面硬度大于所述阀体表面硬度，二者硬度差为洛氏5～10度。本发明中对不锈钢阀芯采用整体低温盐浴硬化处理，在提高其表面硬度的同时，保持不锈钢的耐腐蚀性，在延长阀芯耐腐蚀使用寿命的同时，延长了阀门密封使用寿命；本发明在密封时，阀座密封弧面型线产生一定的弹性变形，在保证良好密封性的同时，能够有效降低密封扭矩。

Description

一种核级小口径手动波纹管截止阀
【技术领域】
本发明涉及一种核级波纹管截止阀，尤其是涉及一种核级小口径手动波纹管截止阀，主要应用在较高温度、较大压力，并对介质泄漏零容忍(如核电站、船舶核动力装置一回路边界的)场合。更具体地说是一种应用在一回路辅助系统中，实现一回路系统压力边界完整性，以及必要时进行水汽压力泄放功能的阀门。
【背景技术】
核级小口径手动波纹管截止阀，用于反应堆冷却系统、安注系统、余热导出系统、主蒸汽系统。目前反应堆普遍使用的波纹管截止阀不尽人意，主要缺陷有：1)常用的波纹管截止阀一般包括阀体、阀盖、阀杆组件和阀芯，阀芯基本上都是在不锈钢基体上堆焊硬质合金方式来增加其表面的耐磨、耐冲刷能力，但是硬化处理的后果是造成表面的耐腐蚀性下降，失去了“不锈钢”的本性，对于经常动作的阀门，密封面很容易被损坏，出现介质内漏。
2)波纹管基本上都是常规的“U”型结构，这种结构易加工制造，但是在反应堆一回路的高温高压工况条件下，使用寿命很低，不能满足系统维修周期的要求，容易引起介质沿阀杆外漏。
3)目前的阀杆基本上为一体式结构设计，然后在阀盖上部采用阀杆螺母或防转板的方式进行阀杆防转处理，这种结构导致阀门的高度增大，增加重量，从而造成管路系统的刚性差，容易引起系统管路振动。
综上所述：目前波纹管截止阀的阀芯制作工艺、波纹管的结构设计、阀杆的结构设计在使用过程中所产生的内漏、外漏以及管路系统振动将影响核动力装置的使用，使装置难以长时间维持稳定运转，严重影响反应堆的运行安全。
【发明内容】
为克服现有技术的不足之处，本发明提供一种核级小口径手动波纹管截止阀，以解决现有波纹管截止阀阀芯易腐蚀及波纹管寿命低的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种核级小口径手动波纹管截止阀，包括阀体、阀盖、阀杆组件和阀芯，其中所述阀芯采用奥氏体不锈钢制成，该阀芯表面具有S相结构特征的硬化层。奥氏体不锈钢在经过低温盐浴硬化处理后，可获得具有S相结构特征的硬化层，该硬化层仍然保持了不锈钢的原有的结构组织，在不降低不锈钢表面耐腐蚀性能的前提下，大幅度提高其表面硬度，经过硬化处理后的不锈钢表面硬度可达到其基体硬度的4倍，硬度值为HRC45～HRC50之间。
进一步的，所述阀芯密封面采用圆锥面，其锥面角度为锐角55°～65°之间，与该阀芯对应的阀体密封面采用凸弧面，该凸弧面半径为R0.5～R2.5。该上述阀芯结构能够有效地缓解高速流体介质对密封面的冲刷，减缓阀芯的腐蚀。
进一步的，所述阀芯的表面硬度大于所述阀体表面硬度，二者硬度差为洛氏5～10度。阀芯锥面硬度值高，阀体凸弧面硬度值低，在密封时，阀体凸弧面会产生弹性变形，提高了阀门的密封性，并且能够有效降低密封扭矩。
进一步的，所述阀杆采用分段式结构，具有上下两个阀杆，其中下阀杆与波纹管焊接在一起，组成阀杆密封组件，工作时只进行上下运动；上阀杆与手柄连接，通过手柄的旋转进行旋转及上下运动；所述上下阀杆通过圆柱销连接，所述下阀杆的销连接处为内圆环结构，使得所述圆柱销可以围绕所述下阀杆的内圆环进行360度转动。所述阀杆简化了阀杆防转结构，并显著降低阀门高度，杜绝管路系统振动。
进一步的，所述下阀杆头部为球面结构，关闭时显著降低阀杆的关闭扭矩。
进一步的，在上阀杆的上运动方向设有最大行程的机械限位，在使阀门工作时，波纹管的拉伸值与压缩值之比控制在1：2.5～1：3之间。通过对波纹管在工作中的压缩量以及拉伸量进行控制，使之更符合波纹管弹性元件的疲劳曲线特性，延长了波纹管的使用寿命。
进一步的，所述波纹管采用奥氏体不锈钢制成，具有多层薄壁结构，该波纹管的剖面形状为“Ω”形结构。“Ω”形波纹管与“U”形波纹管相比，“Ω”形波纹管的轴向刚度补偿能力更强，在一回路工况条件下，其耐压疲劳性更好，在阀门频繁启闭工况条件下能够长期保证阀杆轴向密封的可靠性，比常规的“U”型结构的波纹管在耐压性方面更优良。
有益效果：与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明中对不锈钢阀芯采用整体低温盐浴硬化处理，在提高其表面硬度的同时，保持不锈钢的耐腐蚀性，在延长阀芯耐腐蚀使用寿命的同时，延长了阀门密封使用寿命。
2、本发明在密封时，弧面型线产生一定的弹性变形，在保证良好密封性的同时，能够有效降低密封扭矩。
3、本发明中金属波纹管剖面形状采用“Ω”形结构，比常规的“U”型结构的波纹管在耐压性方面更优良。
4、阀体结构通过设置机械行程限位，延长了波纹管的使用寿命。
5、分段式上下阀杆采用销连接，简化了阀杆防转结构，并显著降低阀门高度，杜绝管路系统振动，关闭时显著降低阀杆的关闭扭矩。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是核级小口径手动波纹管截止阀结构示意图；
图2是下阀杆组件结构示意图；
图3是阀芯、阀座密封面结构示意图；
图4是上下阀杆连接及机械限位结构示意图。
图中：1、阀体，2、阀芯，3、下阀杆，4、波纹管，5、阀盖支架，6、阀盖螺母，7、连接体，8、密封垫，9、圆柱销，10、阀盖，11、上阀杆，12、填料，13、填料压盖，14、手柄。
【具体实施方式】
参见图1，如图所示，一种核级小口径手动波纹管截止阀，包括阀体1、阀盖10、阀杆组件和阀芯2，其中阀芯2采用奥氏体不锈钢制成，阀芯2表面具有S相结构特征的硬化层。奥氏体不锈钢经过低温盐浴硬化处理可获得具有S相结构特征的硬化层，该硬化层仍然保持了不锈钢的原有的结构组织，在不降低不锈钢表面耐腐蚀性能的前提下，大幅度提高其表面硬度，经过硬化处理后的不锈钢表面硬度可达到其基体硬度的4倍，硬度值为HRC45～HRC50之间。具体方法如下：在温度480℃以下对奥氏体不锈钢进行盐浴硬化处理2-4小时；盐浴中含有CNO-，质量浓度控制在35％-45％，盐浴中还含有K2CO3、Na2CO3、CO(NH2)、Li2CO3以及其他微量元素，经过低温盐浴硬化处理后比低温盐浴硬化处理前的奥氏体不锈钢耐蚀性高。
如图3所示，阀芯2密封面采用圆锥面，其锥面角度为锐角55°～65°之间，与阀芯2对应的阀体1密封面采用凸弧面，凸弧面半径为R0.5～R2.5。上述阀芯结构能够有效地缓解高速流体介质对密封面的冲刷，减缓阀芯的腐蚀。
阀芯2的表面硬度大于阀体1表面硬度，二者硬度差为洛氏5～10度。阀芯锥面硬度值高，阀体凸弧面硬度值低，在密封时，阀体凸弧面会产生弹性变形，提高了阀门的密封性，并且能够有效降低密封扭矩。
阀杆采用分段式结构，具有上下两个阀杆，其中下阀杆3与波纹管4焊接在一起，组成阀杆密封组件，工作时只进行上下运动；上阀杆11与手柄14连接，通过手柄14的旋转进行旋转及上下运动；上下阀杆通过圆柱销9连接，下阀杆3的销连接处为内圆环结构，使得圆柱销9可以围绕下阀杆3的内圆环进行360度转动(如图4所示)。分段式阀杆简化了阀杆防转结构，并显著降低阀门高度，杜绝管路系统振动。
进一步的，下阀杆3头部为球面结构，关闭时显著降低阀杆的关闭扭矩。
如图4所示，在上阀杆11的上运动方向设有最大行程的机械限位(如图4中15所示)，上阀杆11的最大行程为h，最大行程h可在阀门工作时，将波纹管4的拉伸值与压缩值之比控制在1：2.5～1：3之间。通过对波纹管4在工作中的压缩量以及拉伸量进行控制，使之更符合波纹管弹性元件的疲劳曲线特性，延长了波纹管4的使用寿命。
进一步的，波纹管4采用奥氏体不锈钢制成，具有多层薄壁结构，波纹管4的剖面形状为“Ω”形结构。“Ω”形波纹管与“U”形波纹管相比，“Ω”形波纹管的轴向刚度补偿能力更强，在一回路工况条件下，其耐压疲劳性更好，在阀门频繁启闭工况条件下能够长期保证阀杆轴向密封的可靠性。比常规的“U”型结构的波纹管在耐压性方面更优良。
本发明装配过程如下：在阀体1上将阀座密封面的弧度R加工完成，再将阀盖支架5旋入阀体1，并在预留的焊接处将阀盖支架5与阀体1焊接在一起；在专用焊接工装上将“Ω”型波纹管4的一端与下阀杆3的焊接端焊接，另一端与连接体7的焊接端焊接，保证焊接后波纹管4的自由高度H。阀芯2的密封锥面角度α加工完成后，进行整体热处理，再与下阀杆3的下端开口通过滚压连接在一起组成下阀杆组件；下阀杆3下部设有导向结构，保证阀芯2关闭时的导向；将下阀杆3的上部连接轴插入上阀杆11的下部连接孔中，到位后键入圆柱销9，上下阀杆完成连接；上阀杆11的最大行程h通过机械限位15控制；阀盖支架5、阀盖10与连接体7之间有密封垫8，并通过阀盖螺母6实现压紧密封；填料压盖13将填料12压紧以实现阀杆轴向的二次密封功能；阀门通过上阀杆上部安装的手柄14实现开关动作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种核级小口径手动波纹管截止阀，包括阀体、阀盖、阀杆组件和阀芯，其特征在于：所述阀芯采用奥氏体不锈钢制成，该阀芯表面具有S相结构特征的硬化层。
2.根据权利要求1所述一种核级小口径手动波纹管截止阀，其特征在于：所述阀芯密封面采用圆锥面，其锥面角度为锐角55°～65°之间，与该阀芯对应的阀体密封面采用凸弧面，该凸弧面半径为R0.5～R2.5。
3.根据权利要求2所述一种核级小口径手动波纹管截止阀，其特征在于：所述阀芯的表面硬度大于所述阀体表面硬度，二者硬度差为洛氏5～10度。
4.根据权利要求1-3任一项所述一种核级小口径手动波纹管截止阀，其特征在于：所述阀杆采用分段式结构，具有上下两个阀杆，其中下阀杆与波纹管焊接在一起，组成阀杆密封组件，工作时只进行上下运动；上阀杆与手柄连接，通过手柄的旋转进行旋转及上下运动；所述上下阀杆通过圆柱销连接，所述下阀杆的销连接处为内圆环结构，使得所述圆柱销可以围绕所述下阀杆的内圆环进行360度转动。
5.根据权利要求4所述一种核级小口径手动波纹管截止阀，其特征在于：所述下阀杆头部为球面结构。
6.根据权利要求4所述一种核级小口径手动波纹管截止阀，其特征在于：所述上阀杆的上运动方向设有最大行程的机械限位，在阀门工作时将波纹管的拉伸值与压缩值之比控制在1：2.5～1：3之间。
7.根据权利要求4所述一种核级小口径手动波纹管截止阀，其特征在于：所述波纹管采用奥氏体不锈钢制成，具有多层薄壁结构，该波纹管的剖面形状为“Ω”形结构。
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