TWI753064B

TWI753064B - 雙合金煙火致動閥組件及其製造方法

Info

Publication number: TWI753064B
Application number: TW106143922A
Authority: TW
Inventors: 喬爾梅利托
Original assignee: 美商奇異日立核能美國有限責任公司
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2022-01-21
Also published as: GB2581541A; WO2018125442A1; FI20195576A1; FI129766B; JP2020503479A; US20180180188A1; GB2581541B; GB201908903D0; CA3048399A1; CA3048399C; US10520100B2; TW201827733A; JP7227134B2

Abstract

煙火致動閥組件(100/300)包括插入體(102)，其具有入口(104a)、出口(104b)、及從入口(104a)延伸到出口(104b)之流動路徑(104)。插入體(102)係由第一合金所形成。剪切結構(108)係黏合至插入體(102)的出口(104b)，以便閉合流動路徑(104)。剪切結構(108)係由第二合金所形成。剪切結構(108)的第二合金係黏合至插入體(102)的第一合金，以便形成緊密密封。閥組件(100/300)的雙合金性質使剪切結構(108)在致動期間能夠剪切得相當整齊，因此降低或防止流動路徑(104)中之變形及/或材料碎裂的發生。

Description

雙合金煙火致動閥組件及其製造方法

本揭示係相關於由引爆煙火炸藥致動之閥。此種閥例如可用於核能發電廠的安全系統。

習知上，剪切型煙火致動閥具有與剪切部一體成形之插入部。尤其是，插入部及剪切部被形成作單一結構，因此，由相同材料所製成。插入部由溝槽或其他特徵與剪切部區分開來，此溝槽或其他特徵被設計成提供結構性易損點以便在致動期間幫助適當剪切動作。閥被設計成在被致動之前都維持在閉合狀態。在致動期間，煙火炸藥被引爆以切斷剪切部而打開閥。打開閥所需的引爆強度將視各種因素而定，諸如閥的口徑尺寸。關於此點，大口徑閥通常比相同材料的小口徑閥需要更多的致動用煙火炸藥。然而，當致動期間為了打開閥而將剪切部切斷時，較強的引爆也導致更常出現插入部變形及/或材料碎裂。結果，經過被打開的閥之造成的流動被此變形阻礙、扭曲、或以其他方式干擾，因此對閥的預期操作產生不利影響。而且，該流動之中存在的材料碎片可能破壞或者對下游組件及結構具有不利影響。

煙火致動閥組件包括插入體，其具有入口、出口、及從入口延伸到出口之流動路徑。插入體係由第一合金所形成。剪切結構係黏合至插入體的出口，以便閉合流動路徑。剪切結構係由第二合金所形成。剪切結構的第二合金係黏合至插入體的第一合金，以便形成緊密密封。插入體的出口被形成錐形以減少與剪切結構的接觸面積。

插入體具有大於2英吋的外直徑。第一合金及第二合金具有不同的晶體結構及/或不同的晶格常數。第一合金可以是400系列不銹鋼(或者其他能硬化的高強度馬氏體不銹鋼合金)。第一合金亦可以是高強度低合金鋼。第一合金亦可以是因康鎳(Inconel)合金(或者其他高強度鎳合金)。第二合金係硬於第一合金。若煙火致動閥組件將用於核子反應爐的環境，則不含鈷將有利於第二合金。此外，第二合金可含有至少0.5重量百分比的氮。第二合金亦可以是被視作第一合金之合金的其中之一，只要第一及第二合金不是同一材料即可。

第三合金的敷層可包覆插入體的流動路徑。第三合金具有高於第一合金及第二合金的抗蝕性，或者須第三合金來提供與管道系統材料一致且連續的抗蝕內部液態邊界，其中裝設煙火致動閥組件。第三合金可以是300系列不銹鋼。

活塞係組構成撞擊及位移剪切結構以打開流動路徑。持留結構係固定於剪切結構。持留結構係組構成在控制剪切結構的「後致動動作及位置」的同時容許剪切結構位移。剪切結構被存留之閥體內的持留袋或存留空間(且其允許流動路徑外的剪切結構完整位移)亦可與持留結構一起使用或代替持留結構。

插入體可以是螺紋接頭形式，及剪切結構可以是剪切帽形式。在另一例示實施例中，插入體包括第一導管段及第二導管段，剪切結構可以是剪切插塞形式，其在插入體的第一導管段與第二導管段之間(如、黏合在插入體的入口與出口導管之間)。

製作煙火致動閥組件之方法包括形成第一合金的插入體，以便具有入口、出口、及從入口延伸到出口之流動路徑。此外，方法包括形成第二合金的剪切結構。而且，方法包括將剪切結構黏合至插入體的出口，以便閉合流動路徑。剪切結構的第二合金係黏合至插入體的第一合金，以便形成緊密密封。

可同步執行該形成剪切結構及該黏合剪切結構。此外，可由第二合金的粉末來形成剪切結構。因此，在一例子中，3D列印可被用於將剪切結構形成到插入體上。在另一實例中，熱均壓可被用於將剪切結構形成到插入體上。

製造方法另包括形成第三合金的敷層，以便包覆插入體的流動路徑。第三合金具有高於第一合金及第二合金的抗蝕性。可均勻塗敷第三合金以抑制不同材料的侵蝕。

致動閥組件之方法包括引爆煙火裝置以回應控制信號。此外，方法包括撞擊黏合至插入體的出口之剪切結構，以便沿著剪切結構與插入體之間的晶粒邊界位移剪切結構來打開插入體內的流動路徑，卻不會使插入體變形。

100:煙火致動閥組件

102:插入體

104:流動路徑

104a:入口

104b:出口

106:敷層

108:剪切結構

110:持留結構

112:槽孔

114:銷

116:活塞

118:煙火裝置

300:煙火致動閥組件

302:第一導管段

303:第二導管段

306:敷層

308:剪切結構

316:活塞

318:煙火裝置

當連同附圖一起審視詳細說明時能更明白此處非限制性實施例之各種特徵及優點。附圖僅供用於圖解目的，不應被說明成侷限申請專利的範疇。除非明確指定，否則附圖不應被視作按比例繪製。為了清楚起見，圖式的各種尺寸已被放大。

圖1為根據例示實施例之致動前的煙火致動閥組件之概要圖。

圖2為根據例示實施例之致動後的圖1之煙火致動閥組件的概要圖。

圖3為根據例示實施例之致動前的另一煙火致動閥組件之概要圖。

圖4為根據例示實施例之致動後的圖3之煙火致動閥組件的概要圖。

應明白，當元件或層被稱作在另一元件或層“上”、“連接至”、“耦合至”、或“覆蓋”另一元件或層時，可能是直接在又另一元件或層上、直接連接至、耦合至、或覆蓋該又另一元件或層，或者可存在中間元件或層。相反地，當元件被稱作“直接在”、“直接連接至”或“直接耦合至”另一元件或層時，沒有中間元件或層存在。相似號碼意指全篇說明書的相似元件。如此處所使用一般，語詞“及/或”包括任何及所有相關表列語詞的一或更多個之所有組合。

應明白，雖然語詞第一、第二、第三等在此處被用於說明各種元件、組件、區、層及/或段，但是這些元件、組件、區、層及/或段不應被這些語詞所侷限。這些語詞僅用於區分一元件、組件、區、層或段與另一區、層或段。因此，下面所討論之第一元件、組件、區、層、或段可被稱作第二元件、組件、區、層或段，卻不算違背例示實施例的教示。

空間關係詞(如“在...下面”、“在...之下”、“下”、“在...之上”、“上”等等)在此處被用於容易說明圖式所圖解之一元件或特徵與另一元件或特徵的關係。應明白，除了圖式中所描劃的取向之外，空間關係詞還欲包含使用中或操作中之裝置的不同取向。例如，若將圖式中的裝置翻轉，則說明作在另一元件或特徵“之下”或“下面”的元件將定位在該另一元件或特徵“之上”。因此，語詞“在...之下”包含之上及之下的取向二者。可以別的方式定位裝置(轉動90度或以其他取向)，及因此說明此處所使用之空間關係描述符號。

此處所使用的術語係僅用於說明各種實施例，但並不用於侷限例示實施例。如此處所說明一般，除非在上下文中明確指示，否則單數形也將用於包括複數形。另外應明白，當用於此說明書時，語詞“包括”及/或“包含”明確指出所述特徵、整體、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但並不排除一或更多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或添加。

此處參考概要圖解例示實施例的理想化實施例(及中間結構)之橫剖面來說明例示實施例。因此，可預期由於例如製造技術及/或容限所造成之圖解的形狀之變化。因此，例示實施例不應被闡釋作侷限此處所圖解之區域的形狀，而應包括例如由於製造所導致之形狀的誤差。

除非特別界定，否則此處所使用之所有語詞(包括技術及科學語詞)與例示實施例所屬技術領域具有通常知識之人士所眾所皆知的意義相同。另外應明白，語詞(包括通用字典中所定義之語詞)應被解釋成具有與相關技術的背景中之意義一致之意義，及除非經本文明確定義，否則將不以理想化或過於正式地解釋這些語詞。

圖1為根據例示實施例之致動前的煙火致動閥組件之概要圖。煙火致動閥組件100可被應用於核能發電廠的安全系統。然而，應明白，煙火致動閥組件100亦可被用於其他情況及環境。參考圖1，煙火致動閥組件100包括插入體102，其具有入口、出口、及從入口延伸到出口之流動路徑104。插入體102係由第一合金所形成。剪切結構108係黏合至插入體102的出口，以便閉合流動路徑104。剪切結構108係由第二合金所形成。剪切結構108的第二合金係黏合至插入體102的第一合金，以便形成緊密密封。插入體102可以是初級導管或螺紋接頭形式，及剪切結構108可以是剪切帽形式。

儘管此處原理可被應用各種煙火致動閥，但是本教示特別有利於大口徑閥，其中，具有大於2英吋的外直徑之閥係具備本技術通常知識之人士所知的大口徑閥。關於此點，根據例示實施例，插入體102具有大於2英吋之外直徑(非凸緣部)。在另一實例中，插入體102的外直徑可大於6英吋、8英吋、或甚至14英吋。

在致動期間，能量脈衝被用於從插入體102切斷剪切結構108，以便打開煙火致動閥組件100。為了幫助在致動期間使剪切整齊，用於形成插入體102及剪切結構108之材料應足夠堅硬，以使能量脈衝能夠以幾乎瞬時的方式以及以最少的吸收在想要的斷裂介面四周傳送。在此種實例中，能量脈衝將使插入體102及剪切結構108的介面表面幾乎同時分離。否則，橫跨剪切動作的開始及完成之時間越長(如、在能量脈衝後之斷裂傳播越慢)，越可能出現材料變形及巨大撕裂。儘管上述結果對小孔徑閥可能不是特別的問題，但是能夠斷言對大孔徑閥而言，由於能量脈衝的撞擊點到插入體102與剪切結構108之間的介面之末端的距離越大，則其效果越大。

為了解決上述缺點，雙合金方式與煙火致動閥組件100一起使用。尤其是，插入體102係由第一合金所形成，而剪切結構108係由不同的第二合金所形成。第一合金及第二合金是能夠彼此有所區別(如，藉由晶體結構幾何及/或晶格尺寸)且相當堅硬的材料，以在致動期間，於插入體102及剪切結構108的介面或鄰近處幫助產生相當整齊的斷裂面。此外，為了幫助將能量脈衝集中於剪切區，插入體102的出口處之插入體102的外表面被形成錐形以減少與剪切結構108的接觸面積。

在非限制性實施例中，第一合金具有體心立方(BCC)晶體結構。例如，第一合金可以是肥粒或馬田散鐵為基的合金，諸如400系列不銹鋼(或者其他能硬化的高強度馬田散不銹鋼合金)等。第一合金亦可以是高強度低合金鋼。在另一實例中，第一合金可以是沃斯田鎳-鉻為基的合金，諸如因康鎳(Inconel)合金(或者其他高強度鎳合金)等。

第二合金係硬於第一合金。在非限制性實施例中，第二合金具有面心立方(FCC)晶體結構。當煙火致動閥組件100被用於核子反應爐環境時，不含鈷對第二合金有利，以便降低或避免暴露的擔憂。第二合金可以是含有至少0.5重量百分比的氮之沃斯田鐵為基的合金。為了獲得第二合金，沃斯田鐵為基的合金可被用作基材且含過飽和氮。例如，就第二合金而言，可使用電力研究所(EPRI)的NitroMaxx。倘若第一合金及第二合金非由同一材料所形成，則第二合金也可以是前面所揭示用於第一合金之材料的其中之一。

由於第一合金被熔合於第二合金，導致插入體102與剪切結構108的介面不是弱於(由於晶體結構的未對準)毗連的合金就是強於(由於共生加強)毗連的合金。在前一情況中，將存在自然的斷裂面，及在致動期間將在介面出現剪切。在後一情況中，一極薄的強化段將存在於介面，及在致動期間將緊接在介面附近出現剪切。如此，在任一情況中，在致動期間都會達成相當整齊的剪切。

第三合金的敷層106包覆插入體102的流動路徑104。第三合金不像第一合金及第二合金一樣堅硬，但是具有高於第一合金及第二合金的抗蝕性。第三合金可以是沃斯田鐵為基的合金，諸如300系列不銹鋼(如308 SS、316 SS)等。

活塞116被組構成撞擊及位移剪切結構108以打開流動路徑104。活塞116被組構成由煙火裝置118來開始運動，其可由個人手動或由控制系統自動化(及遙控)來引爆。為了減少或防止阻礙流動路徑104的可能性，可設置制動器來限制煙火裝置118引爆後活塞116將伸出之距離。替代或除了制動器之外，也可設置彈簧以在撞擊剪切結構108後偏移活塞116遠離流動路徑104。例如，裝設後，活塞116的下槌部延伸過彈簧，及活塞116的頭部靜止於彈簧上。結果，當煙火裝置118引爆時，活塞116將被驅動以撞擊剪切結構108及同時壓縮彈簧。緊接著，活塞116將被彈簧的解壓縮力舉起及遠離流動路徑104。

持留結構110係固定於剪切結構108，以便控制剪切結構108的後制動動作及位置。持留結構110包括與銷114嚙合之槽孔112。銷114可安裝在插入體102的附近，及被組構成維持靜止，同時持留結構110(其固定者剪切結構108)被組構成在致動後透過槽孔112在繞銷114的四周有一些軸及角運動。

持留結構110可選用地固定於插入體102與剪切結構108。在此種非限制性實施例中，持留結構110被組構成在維持連接到插入體102的同時允許剪切結構108的位移。另一選擇是，持留結構110可被省略，可設置凹處或囊袋以在致動後接收剪切結構108。

圖2為根據例示實施例之致動後的圖1之煙火致動閥組件的概要圖。參考圖2，煙火裝置118的引爆驅動活塞116來撞擊剪切結構108。結果，在第一合金及第二合金的介面或鄰近處，將從插入體102切斷剪切結構108，藉此在此處理中破壞其間的晶粒間金屬鍵。關於此點，任何撕裂將被限制到顯微鏡規模等級(與習知技術的宏觀等級相反)。

持留結構110中的槽孔112允許剪切結構108的軸運動以幫助剪切動作。槽孔112亦允許角運動，使得持留結構110(其固定著剪切結構108)將往下搖擺，以一旦剪切結構108與插入體102分開就打開流動路徑104。結果，可從入口104a經由插入體102到出口104b(如，減壓)發生流動。如圖2所示，煙火致動閥組件100可被組構成，在致動後活塞116及剪切結構108將不會伸入流動路徑104內。尤其是，活塞116的下表面可在由插入體102所界定之流動路徑104的上邊界位準處或者之上。此外，剪切結構108的上表面(圖2)可在由插入體102所界定之流動路徑104的下邊界位準處或者之下。

圖3為根據例示實施例之致動前的另一煙火致動閥組件之概要圖。參考圖3，煙火致動閥組件300包括插入體，此插入體包括第一導管段302(例如入口噴嘴)及第二導管段303(例如出口噴嘴)。剪切結構308為剪切插塞，其係在插入體的第一導管段302與第二導管段303之間，以便閉合流動路徑。尤其是，剪切結構308可被視作黏合/熔合至第一導管段302的出口及黏合/熔合至第二導管段303的入口。插入體的第一導管段302及第二導管段303係由第一合金所形成，而剪切結構308係由不同的第二合金所形成。剪切結構308的第二合金係黏合至插入體的第一導管段302及第二導管段303之第一合金，以便形成緊密密封。第一合金、第二合金、及其彼此黏合/熔合係如上文連同圖1-2所說明一般。

第三合金的敷層306包覆由插入體的第一導管段302及第二導管段303所界定的流動路徑。第三合金係如上文連同圖1-2所說明一般。

活塞316被組構成撞擊及位移剪切結構308以打開流動路徑。活塞316被組構成由煙火裝置318來開始運動，其由個人手動或由控制系統自動化(及遙控)來引爆。為了減少或防止阻礙流動路徑的可能性，可調整活塞316的槌部長度以限制煙火裝置318引爆後活塞316將伸出之距離。

圖4為根據例示實施例之致動後的圖3之煙火致動閥組件的概要圖。參考圖4，煙火裝置318的引爆驅動活塞316以撞擊剪切結構308。結果，在第一合金及第二合金的介面或鄰近處，將從插入體切斷剪切結構308，藉此在此處理中破壞其間的原子鍵。結果，流動會經由插入體的第一導管段302及第二導管段303發生。

圖1-2所示之例示實施例可被視作具有剪切帽壓力邊界及外部煙火致動之減壓閥(DPV)。另一方面，圖3-4所示之例示實施例可被視作具有剪切插塞內本體及為流動邊界完整性之密封的煙火致動之煙火阻斷閥(PBV)。

製作煙火致動閥組件之方法包括形成第一合金的插入體，以便具有入口、出口、及從入口延伸到出口之流動路徑。此外，方法包括形成第二合金的剪切結構。而且，方法包括將剪切結構黏合至插入體的出口，以便閉合流動路徑。剪切結構的第二合金係黏合至插入體的第一合金，以便形成緊密密封。緊密密封能夠禁得起至少每平方英吋(psi)1,500磅的正常操作壓力及被設計用於更大的操作壓力。

可同步執行該形成剪切結構及該黏合剪切結構。此外，可由第二合金的粉末來形成剪切結構。可使用雷射來熔化粉末，以便在插入體上逐層產生剪切結構。熱及壓力亦可被用於熔合粉末以在插入體上形成剪切結構。因此，在一例子中，3D列印(或積層製造)可被用於將剪切結構形成到插入體上。在另一實例中，熱均壓可被用於將剪切結構形成到插入體上。

方法另包括形成第三合金的敷層，以便包覆於插入體的流動路徑，其中，第三合金具有高於第一合金及第二合金的抗蝕性。可在形成剪切結構前或後形成敷層。

在剪切動作打開煙火致動閥組件之後，此處所討論之雙合金方式提供相當整齊的流動路徑。結果，對損耗係數幾乎沒有影響。而且，雙合金方式使致動所需之脈衝的能量位準能夠更可預測。

儘管此處已揭示一些例示實施例，但是應明白能夠有其他變化。此種變化不被視作違背本揭示的精神及範疇，及精於本技藝之人士顯而易見的所有此種修改將包括在下面申請專利範圍的範疇內。