主切断阀-保证反应堆安全的关键

闸阀是切断阀中最常用的阀类之一。按壳体材料可分为铸铁阀、碳钢阀、合金钢阀和耐蚀钢和不锈钢阀。按阀体的制造方法分：铸造、锻造、焊接、锻—焊、模锻—焊接、铸造—焊接。闸阀有：不带金属密封圈、带耐蚀钢密封圈或带高强度合金堆焊的密封圈。根据闸板的结构形状可分为平行式和楔式两种闸阀。楔式闸阀又可分刚性或弹性单闸板和双闸板，平行式闸阀又有单闸板和双闸板之分；根据阀杆螺纹的结构可分为升降杆（明杆）和旋转杆（暗杆）式闸阀；按与管道的连接方式分有法兰连接和焊接连接；按驱动方式分为就地手动操纵、远距离操纵、电动、气动、液动、气—液联动、电—液联动等。

闸阀按用途可分成切断阀、快速动作阀或停汽阀（保护阀）。闸阀作为切断阀广泛地运用到公称尺寸大于DN100的动力装置上，闸阀最主要的优点是流体阻力小，操作时作用在阀杆上的启闭力比较小。由于阀体通流部分的轴线和管路是同一条直线，所以可以任意选择介质的流动方向。阀体内腔的清理和冲洗比较简单易行，其阀体腔内的存液排放也较容易。为了保证阀盖—阀杆的圆柱形结合面具有良好的动密封性能，所有闸阀都设有填料函装置。由于开启或关闭时阀杆的行程较大，故阀杆密封不适合采用波纹管密封结构。

闸阀的工作条件取决于它的所在位置和用途，因为蒸汽和水的参数以及流动速度取决于阀门所在位置的管段，而闸阀的常开或常闭状态取决于闸阀的用途。例如，在主回路上、在给水泵的管路上、在去汽轮机的主蒸汽管路上、在经常工作的减温减压装置上，闸阀是处于常开状态。而在其他的管路上（加热管线、旁路管线和其他管线上），闸阀是处于常闭状态。在后一种情况下，如果公称尺寸不超过DN100，介质流量不大，因而流体阻力损失并不重要，这时常常安装截止阀，而不安装闸阀。

在核动力装置上最经常使用的是楔式闸阀，虽然某些外国厂家[美国的西屋公司、英国的霍普金森（Hopkinson）]偏重于使用平行式双闸板闸阀。以往的期刊中讨论过这样一个问题，哪种闸阀最好？这不可能有统一的答案，因为这两种结构，都有一系列的优点和缺点，如平行式闸阀关闭时要求较小的操作力（约小1/2），开启时所需的操作力彼此相当，有时还可以用来调节流量，因为总会有一个闸板压紧阀座。另一方面，楔式闸阀密封性更加有保证，其中也包括在闸板上的压降较低的情况，这种状态为楔式闸阀广泛应用起了决定性作用。

楔式闸阀有弹性楔式闸阀和双闸板楔式闸阀两种，后一种闸阀在我国和国外核电站阀门设计和实践中获得了最广泛的应用。楔式圆盘形双闸板一般靠球面连接紧密配合，这样能保证圆盘形闸板沿阀体密封圈的平面自行定位。由此可见，如果阀体和闸板的密封圈表面的平面度都能合格的话，则阀体的密封圈安装的角度误差不会对闸板关闭时的密封性产生实质性的影响。

由第1章图1-7上的系统图可看到，反应堆装置包括各种各样的管路，其中有些可以使用热电厂的动力阀门，但在很多部位上，要求安装能适应放射性介质的特殊工作条件的阀门。

主回路上要求安装楔式闸阀作为主切断闸阀。可以采用楔式单闸板闸阀和楔式双闸板闸阀。当事故情况下或系统检修时主切断闸阀是用来切断反应堆回路或蒸汽发生器的。在正常情况下闸阀是开启的，而在事故条件下关闭阀门时，由于主循环泵产生的全部压降几乎都落在闸阀的启闭件上，通常只能在闸板两侧的压力达到平衡时才开启，为此在系统中应设有相应的减压旁通。

防止放射性介质从回路向外泄漏的最好保证是采用无填料密封阀门，使闸阀与活塞式液压传动组装成一体。这些闸阀是用加压水来操纵的，为此目的，设有相应的液压操纵系统。过去为了可靠的关闭主回路，除了液动闸阀外，还备有电动闸阀，两台闸阀串接起来，一台用液压驱动，一台用电动机驱动。为了切断管路，这就提供了利用两种能源的可能性，当丧失一种能源时，尚能利用另一种能源来切断管路。但是，操纵闸阀活塞传动的液压系统复杂、昂贵，并且不十分可靠，它本身又是一个可能的故障源。因此，在最新的装置上，在一个部位上不采用两种闸阀，而在每个环路上安装两台电动闸阀（在进出口管路各安装一台）来替代每个环路上设4台闸阀——两台电动，两台液动（前苏联新沃罗涅什核电厂第一期工程就是这种设计）。这与当代减少阀门数量的趋势是一致的。因为阀门虽然是为了保证装置可靠的工作而设立的，但它们本身在很多情况下又是工作中产生事故和问题的根源。

在图7-1中给出的DN400的液动闸阀，而在图7-2中又给出了液动闸阀的液压传动系统图。闸阀是按下述方式来操作的：无放射性的水从冷却剂供应系统进入水箱17，从压缩空气罐15来的压缩空气用来保持容器内的水压为21.0MPa，水由此通过三通阀进入水利分配器，分配器完全与外部介质隔离。这种用来操作的水从分配器进入闸阀9的液压驱动的这个或那个空腔内，液压缸的另一端与冷却系统的一回路连接起来，把工作介质导入其中。

图7-1 液动闸阀（美国）

1—液压传动缸 2—活塞 3—阀盖 4—阀杆 5—阀体 6—圆盘形闸板 7—启动器控制销

液动闸阀有时将驱动装置朝下安装，这是为了避免运动部件在重力作用下自行关闭。在结构上设置了可将闸板定位在“开启”位置的专门定位销。关闭的断流机构（两个平行的圆盘形闸板）靠压力差的作用来实现密封。为了防止工作介质从阀体内腔泄漏到液动装置的

图7-2 液动闸阀的液压传动系统图（美国）

1—消声器 2—引向Ⅰ类液动闸阀（事故时保持闸板的位置不变） 3—液压控制阀 4—从液压控制阀引来 5—引向Ⅱ类闸阀（事故时关闭），安装在一回路所有环路的旁路上 6—联锁控制 7—引向反应堆厂房的泄水管路 8—引向冷却回路Ⅱ类输水闸阀 9—闸阀 10—反应堆 11—回路的冷却剂供给和排放 12—一回路环路的旁路 13—从备用压缩机来的管路 14—从压缩机来的管路 15—压缩空气罐 16—泵 17—水箱 18—水位发送器 19—水位计 20—水位指示信号器 21—压力指示计 22—压力指示信号器 23—压力发送器

液压缸，阀杆上设有上密封。闸阀设计在工作压力为p_p=17.5MPa、工作温度t_p=315℃下工作。

在图7-3中展示出由德国KSB公司制造的带液动装置的同类型闸阀。其公称尺寸为DN350，工作压力p_p=16.0MPa。

当今应用于轻冷却剂一回路上的阀门，其主要类型是电动闸阀。在图7-4中示出公称尺寸DN500，BBЭP—400核动力装置一回路使用的主闸阀[升降杆（明杆）楔式双闸板闸阀]。阀体与阀盖（两者均为焊接件）的连接采用法兰。这些零件各部分的形状比较简单，使得有可能对加工工艺和制造质量的检查进行得更仔细。此闸阀配备了功率为20kW的电动机，能采用远距离控制，也可以就地手动操作。闸阀用电动关闭的时间为85s，手动关闭时间为32min。闸阀的重量为8t，外形总高度大于3m。

图7-3 德国KSB公司制造的带驱动装置的同类型闸阀（DN350、工作压力p_p=16.0MPa）

图7-4 核动力装置一回路使用的主闸阀（DN500）

1—电动装置 2—行程部件 3—填料函 4—阀盖 5—阀杆 6—阀体 7—排放阀 8—球形推力轴瓦 9—阀体密封圈 10—圆盘形闸板 11—防护罩

公称尺寸DN大的楔式闸阀保证密封的条件，因受温度波动的影响而复杂化了。用主闸阀截断管路后的最初时间，在楔式闸板的两侧温度实际上可认为是相等的。随着环路的冷却，在闸阀被截止侧的温度将会下降。当闸板的两侧具有相同的温度时，阀体与闸板的密封表面可以完全密合，形成一个环形接触面，能保证楔式闸板严密地堵住流道。当阀体的一部分冷却时，零件产生热变形，改变了楔式闸板和阀座的几何形状，因此，破坏了启闭件的密封性，使活性介质可能渗漏到被截止部分，这是不允许的。为了防止渗漏，向阀体和阀盖组成的阀腔内充水，水压要比冷却剂的压力高出7MPa，而温度不低于100℃。

考虑到可能的温度波动、阀体变形、阀体腔内产生蒸汽、因热管道的热量而使阀体内的水加热等诸因素，在面向反应堆侧的闸板腔室内设置了卸载装置，它可设置节流装置或安装止回阀。此卸载装置是一串联节流孔板，可使水从阀体腔内流回反应堆内。在每个循环环路上安装两套闸阀，其中一套设置卸载装置。

为了保护闸阀阀体免受过高的压力，德国KSB公司采用保险阀的装置，如图7-5所示。根据对阀体强度的计算，整定出保险阀的动作压力，它始终应高于系统水压试验的压力。但应小于壳体的试验压力，一般应为壳体试验压力的85%～90%。

主切断闸阀（如图7-4所示）的阀体与阀盖的法兰连接处采用两套垫片密封，将泄漏水从两者中间引出排放。阀杆的填料密封使得主闸阀工作起来非常复杂，尽管为提高阀杆最后表面加工质量和密封填料的弹性，采用了所有可行的措施，但这种密封方式还不能保证阀盖与可动的阀杆之间的绝对密封。甚至精心组装的填料密封在阀杆移动后也开始泄漏介质，虽然其泄漏量很少，考虑到这种现象，所以在图7-4所示的闸阀上在填料内设有中间空腔，或在填料间安装隔离环，从这里可以引出通过下部填料泄漏出来的介质。

图7-5 保护闸阀阀体用的保险阀

a）保护闸阀阀体用的保险阀结构 b）保险阀和不同份额的剩余水容积下阀体压力与介质温度的关系曲线

闸阀还设有上密封，它是一个当阀门全开状态时防止介质泄漏的装置，为此目的，在阀杆的下部阀头上方制成圆锥体密封面，而在阀盖上制成相应的圆锥形环座，当闸阀全开时，阀杆靠它的圆锥体密封面顶住阀盖的圆锥形环座，以防止介质通过填料的泄漏。

漏过填料的泄漏量，一般将随着运行时间的增长而增加，当介质为浸蚀性，并具有很高的放射性，或介质很昂贵，如重水，必须采用复杂的填料密封结构，如在美国的阿贡国立实验室的单回路核电站上，阀杆的密封是由3部分组成，第1部分后面的泄漏导入压力为0.114MPa的排放装置；第2部分后面导入真空度为1.5kPa的系统；而在第3部分要形成一个比大气压高出1.5kPa的压力。

在图7-6中示出了用于大功率石墨慢化沸水反应堆核电站的DN800主切断闸阀。这种闸阀是根据压力为10.0MPa，温度为290℃以下的工作介质而设计的。当闸板两侧的压差不超过2.5MPa时，闸阀才开启或关闭。闸阀是由22K锅炉钢板（前苏联牌号）锻—焊制成。阀体与阀盖采用法兰连接加Ω形密封焊。采用齿形垫片密封。为了使闸阀在关闭状态

图7-6 用于大功率石墨慢化沸水反应堆核电站的主切断闸阀（DN800）

图7-7 供汽轮机装置和蒸汽管路上用的闸阀

时启闭件能可靠的密封，可向阀体内供给清洁的高压水来压楔式闸板。当闸板处于开启位置时，为了防止圆盘形闸板振动，配备弹簧将闸板压紧在闸板架上。结构上规定了3级填料，并引出可能泄漏出的介质。每级填料的密封是相互独立的，使得整个填料部件都能保证可靠的密封。闸板的表面堆焊镍基硬质合金。

公称压力PN25MPa、工作温度t=200℃的闸阀示于图7-7。类似的闸阀安装在汽轮机系统的低压工艺水和蒸汽管路上。它们具有带引漏的填料函，阀体与阀盖的连接采用法兰、螺栓连接，用缠绕式垫片密封。

在图7-8中给出了大功率石墨慢化沸水堆核电站释热元件换料机用的闸阀结构。闸阀只能在不大于8.0MPa的压力下工作。开启或关闭阀门只能在闸板上的压力差不大于0.1MPa时进行。为了保证可靠的密封性和工作的耐久性要求，截止机构由两个闸阀串接而成，并从两闸阀之间的内腔导出可能出现的泄漏。这种闸阀具有特殊的结构，当闸阀处于关闭状态时，保证有一个强制的压紧力，使圆盘形闸板的密封面紧紧地压在阀座上；当闸板开启之前，圆盘形闸板应脱开阀座，并在开启与关闭闸阀过程中，在移动闸板时使两个圆盘相互不牵制。

图7-8 大功率石墨慢化沸水堆核电站供释热元件换料机用的闸阀结构

阀杆的光杆部分与提升螺纹部分是用铰链连接结构连接在一起，这种结构是一个连接托架，它可在阀盖支架上的沟槽内靠滚轮上下移动，因而保证在不拆卸填料也不破坏填料函内腔密封的条件下能拆卸闸阀内所有驱动部件。可避免把不利的径向力传给阀杆的光滑部分，此径向力是当传动电动机工作时，由于在支架的阀杆螺母内梯形螺纹部分的变形及颤动而造成的。(www.xing528.com)

为快中子反应堆核动力装置设计了带冷冻固封填料的闸阀，如图7-9所示。冷冻固封填料用流动的冷水冷却。为了提高冷冻填料密封的可靠性，在结构上做成相互独立的多节填料部件。为了在加热和冷却闸阀时降低热应力，阀体的壁厚应最小，并尽可能在不同的截面上壁厚值相等。为了阀体—阀盖法兰连接的密封不受到破坏，在螺母下面放置了可补偿的弹簧垫片，同时又规定了在中法兰外缘添加了一道密封焊。

为压水堆核动力装置新设计了公称压力PN25的系列闸阀。这种闸阀的典型结构示于图7-10。阀体是由铸造而成，弹性闸板能补偿阀体可能出现的变形。三套填料装置可使沿阀杆泄漏减至最低值。

图7-9 供快中子反应堆核动力装置用的水冷冷冻固封填料的闸阀

图7-10 供压水堆核动力装置用的PN25带弹性闸板的闸阀

近来在压水堆核动力装置广泛采用的加拿大维兰（VELAN）生产的公称压力CL150、公称尺寸DN400的不锈钢楔式单闸板闸阀，如图7-11所示。主要应用于主蒸汽系统、主给水系统和重水管路上。阀体与阀盖材料采用ASTM A351/A351M CF8M；闸板材料采用ASTM A182/A182M F316；阀杆材料采用ASTM A564630；支架采用ASTM A216/A216M WCB。该闸阀属于核Ⅲ级阀门。闸板密封面平面楔角为2°52′，闸板密封面和阀座密封面堆焊钴基硬质合金，并经过认真的研磨。阀体与阀盖的连接采用法兰、螺柱连接，中法兰垫片采用柔性石墨+奥氏体不锈钢带缠绕式垫片。阀杆密封除了全开后上密封起作用外，采用填料密封，填料由柔性石墨编织填料+隔离环+碳纤维组成。压紧填料的螺母下装有一组碟形弹簧，保证螺母不会松动。闸阀的启闭采用双级锥齿轮驱动装置，使启闭省力。阀门与管道的连接采用焊接，使连接密封可靠。

图7-11 压水堆核动力装置用的CL150、DN400不锈钢楔式单闸板闸阀

最近在阀门制造中出现了一种统一核电站阀门结构和参数的方针。统一阀门系列的结果，会在国民经济中获得更大的经济效益。按阀门的工作参数和公称尺寸制定出阀门的等级。在表7-1中列出了核电站用的统一闸阀的基本系列。图7-12中示出了闸阀的典型结构形式，工作压力p_p=20.0MPa，DN100～DN800的一个实例，同时还给出了几种不同的控制驱动机构的形式。阀门的结构示出双闸板结构，但也可做成单闸板。中法兰连接以法兰连接加

图7-12 闸阀的典型结构形式

a）电动操纵阀门 b）手动操纵阀门 c）锥齿轮传动操纵阀门 d）遥控阀门 e）中法兰连接的Ω形密封焊结构

Ω形密封焊结构，阀杆密封采用上密封加填料+隔离环，填料采用柔性石墨环、柔性石墨编织环和碳纤维编织环组成，阀门与管道的连接采用对焊连接。

表7-1 核电站用的统一闸阀的基本系列

注：1.a为闸阀承压件和控压件由耐蚀钢制成。

2.b为闸阀承压件和控压件可由碳钢制成。

3.—为尚未投产。

① DN600、DN800，工作压力p_p=10.0MPa的闸阀，应在压差不超过2.5MPa时开启和关闭。

下面给出国外公司制造的若干闸阀的结构。

在捷克已生产供水—水动力堆用的公称压力PN160、公称尺寸DN500的闸阀，如图7-13所示。阀体与阀盖之间采用无法兰自紧密封之外又增设一套薄膜密封，并从两者之间接引漏管，把泄漏的介质引出。这种结构的特点是在给定的工作参数下，与其他的闸阀相比，其重量和尺寸小得很多。

在图7-14中示出的是美国西屋公司生产的楔式闸阀。阀体与阀盖的密封采用柔性石墨和奥氏体不锈钢带缠绕式垫片。也可以采用Ω形密封焊。为了使阀杆完全不能转动，以此来改善填料的密封性能和闸板的密封条件。阀杆与一个在支架内可上下移动的导销相连。闸阀具有楔式单闸板。为了给压水动力反应堆装置一回路配套，西屋公司提供了DN740结构的闸阀，但采用了平行式双闸板结构，其工作压力为17.5MPa，工作温度为340℃。公司保证能循环动作400次，阀体的使用年限为40年。在闸板上的压差很小时，为了撑开闸板形成密封，在两块闸板之间设有专用弹簧。

瑞士苏尔寿兄弟公司生产的公称尺寸DN720以下的闸阀，连同驱动装置重量达16t，闸阀设计压力为18.0MPa，工作温度为350℃。在图7-15中给出了DN580闸阀的外形及主要结构。为了保证阀体与阀盖连接的可靠密封，把通过柔性石墨、不锈钢带缠绕式垫片可能的泄漏导出。为了调整闸板之间的距离，在楔形十字架上设有可更换的垫片，厚度在闸阀检修时可以改变。为了减小水的流体阻力系数，闸阀的流道部分按下列方式制成：入口管制成文丘里喷嘴形式。阀座入口侧内径略小于出口侧的内径，并把楔块厚度减至最小。

图7-13 在捷克水—水动力堆上用的闸阀（PN160、DN500）

图7-14 美国西屋公司生产的楔式闸阀（工作压力p_p=17.5MPa，工作温度t_p=340℃）

德国盖斯特拉（GESTRA）公司在它的闸阀填料上采用另一种结构形式来形成固定的压力，如图7-16所示。

当闸阀工作在高动力参数下，在阀体的零件上产生很大的应力。为了保证阀体的强度，阀体采用形状比较简单的铸件或锻件，并采用经过焊接工艺评定的高质量的可靠的焊接方法把它们焊接起来，这样组成了具有高强度的零件。在图7-4和图7-13中示出的闸阀，它的阀体就是这样制成的。

由于加热时阀杆长度的改变，可能造成闸板在阀体内被楔住，当阀杆冷却时，在闸阀的闸板上的密封可能遭到破坏。为了限制阀杆上的轴向力，在闸阀的行程部件上设置了碟形弹簧，如图7-17所示。这种碟形弹簧的弹性变形避免了阀杆冷却时闸阀密封受到破坏。

图7-15 瑞士苏尔寿兄弟公司生产的闸阀（DN580、PN180、工作温度t_p=350℃）

a）闸阀的结构 b）三重填料的结构 c）闸板的结构 d）阀体与阀盖的连接结构

最近在闸阀的结构上为了检修时能顺利取出填料，在填料区开了一些孔，虽然这些孔对填料函的密封性能不利，但是制造厂和运行单位都认为开这些孔是必要的，因为它使得闸阀的检修容易多了。在图7-16和图7-17中所示的闸阀，就设有供取出填料用的这种孔。

为了减少介质流动对密封圈表面的冲刷，把焊在阀体上的密封圈向楔式闸板方向做成锥度较小的收缩形较为有利。

为了减小闸阀的行程和阀杆上的作用力，采用缩径闸阀，它的阀座密封圈的内径小于公称尺寸。这使流体阻力系数由0.6增加到1.6～2.3或更大值（取决于缩径程度），但这能减少闸阀的重量和尺寸。管道直径愈大，由缩径引起的能量损失的绝对值就愈大。这样，对于主管路来说，全径闸阀比缩径闸阀在运行性能上具有更多的优越性。

为了避免在快开启和关闭时出现水击，为了减小闸板移运时的作用力和密封圈的磨损，以及为了预热管路，许多闸阀（通常指公称尺寸较大的闸阀）设有旁通。在旁通管路上安装有公称尺寸较小的闸阀或截止阀。

图7-16 德国GESTRA公司生产的闸阀

图7-17 行程部件上带碟形弹簧的闸阀