Клапаны игольчатого типа чаще выходят из строя из-за щелевой эрозии поверхности иглы и седла.
Для обеспечения требуемой эрозионной стойкости металлов их коррозионная стойкость в данной рабочей среде должна быть максимальной. Особенно это важно для уплотнительных поверхностей затворов, а также штоков (шпинделей), разрушение которых нередко происходит из-за электрохимической коррозии, возникающей в зоне их контакта с сальниковой набивкой.
Характерным видом повреждения контактных поверхностей деталей арматуры, особенно уплотнительных поверхностей затвора, является задирание (схватывание) металла при их взаимном силовом перемещении. Это особенно характерно для вакуумной арматуры и арматуры, работающей в условиях агрессивных газов (фтористые соединения, хлор и др.), когда недопустимо применять смазывающие материалы. Степень этого разрушения зависит от фрикционных характеристик сопрягаемых материалов.
Механическое разрушение деталей арматуры может происходить также и от вибраций, вызываемых завихрением потока быстро движущейся рабочей среды.
Материалы деталей должны как отвечать требованиям, предъявляемым к условиям работы арматуры, так и иметь определенные технологические свойства, позволяющие изготавливать детали литьем, ковкой, сваркой, механической обработкой. Таким образом, в основе выбора материалов для арматуры лежит комплексная оценка их свойств, удовлетворяющих условиям их эксплуатации, возможностью изготовления отдельных ее частей путем различных технологических процессов, а также учитывающая их стоимость.
Материал корпуса, а такжекрышки должен обладать достаточной жаропрочностью, высоким сопротивлением теплосменам, необходимым уровнем механических и технологических характеристик. Состав и свойства стали корпуса арматуры должны быть близки к стали трубопроводов, привариваемых к патрубкамарматуры.
В качестве прокладочных материалов применяются неметаллические материалы. Наибольшее применение в энергетической арматуре имеют фторопласт-4 и ФУМ (фторопластовый уплотнительный материал).
Для высоковакуумной арматуры в качестве материала для прокладок могут служить индий, свинец, алюминий, отожженная медь, а также, в особо ответственных случаях, серебро и золото.
41
Сальниковые набивки неответственной арматуры могут изготовляться из пеньки, асбестового, пенькового или шелкового шнура и т.п. В ответственной арматуре выбор материала сальниковой набивки должен быть обоснован, поскольку во многих случаях неудовлетворительная работа арматуры связана именно с плохим техническим состоянием сальника.
Материал сальника должен обладать следующими свойствами: иметь высокие упругость, стойкость при рабочей температуре, химическую стойкость против действия рабочей среды, износостойкость и возможно малый коэффициент трения.
В качестве общих рекомендаций при выборе материалов для арматуры можно отметить следующее.
Поскольку к материалам отдельных деталей предъявляются требования по целому раду необходимых свойств, а между ними, как правило, не существует прямой зависимости, то целесообразность применения тех или иных материалов следует определять в каждом случае дифференцированно. В основе выбора должны лежать возможности максимального использования тех свойств материалов, которые для деталей данной конструкции арматуры и конкретных условий их работы являются наиболее важными. При этом следует учитывать также экономические и технологические показатели применяемых материалов.
5. ОСОБЕННОСТИ КОММУТАЦИОНННОЙ АРМАТУРЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Особенности конструкций вакуумной коммутационной аппаратуры обусловлены специфическими требованиями, резко отличными от требований, предъявляемых к аппаратуре того же назначения, применяемой в газовых, пневматических и гидравлических системах. К таким специфическим требованиям относятся:
1)высокая герметичность (особенно к окружающей среде), особо жесткие требования по герметичности предъявляются к аппаратуре, применяемой в системах высокого и сверхвысокого вакуума;
2)максимальная проводимость в открытом положении;
3)необходимо исключать применения смазок и уплотнителей с высокой упругостью паров, конструкция должна быть разборной и не должна иметь недоступных для промывки мест;
42
4)незначительная адсорбция газов внутренними поверхностями аппаратуры (аппаратура должна изготавливаться из некорродирующих материалов, с возможно более чистой поверхностью);
5)сверхвысоковакуумная аппаратура должна допускать с целью удаления остаточных газов с ее поверхности многократный про-
грев до 300–700 °С.
С учетом вышеуказанных требований конструктивное исполнение аппаратуры, предназначенной для работы в условиях среднего
ивысокого вакуума, отличается от исполнения аппаратуры для сверхвысоковакуумных систем. В аппаратуре среднего вакуума конструктивно стремятся уменьшить поверхность уплотнителей из резины, фторопласта и других мягких уплотнителей, обращенных в вакуумную полость. С целью унификации в системах среднего вакуума часто применяют аппаратуру, предназначенную для работы в системах высокого вакуума, несмотря на усложнение конструкции и большую ее стоимость.
Рис. 5.1. Стеклянные пробковые краны: а – проходной со сплошной пробкой;
б– проходной со сплошной пробкой и косым каналом;
в– угловой с полой пробкой (тройной); г – проходной с полой пробкой;
д– угловой с полой пробкой; е – проходной с полой пробкой и карманом;
ж– проходной с полой пробкой и карманом
43
В системах среднего вакуума, предназначенных для лабораторных установок, довольно часто применяются пробки, изготовленные из стекла, как угловые, так и проходные или тройные
(рис. 5.1).
6. ОСОБЕННОСТИ КОММУТАЦИОННОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ АТОМНЫХ ЭЛЕКРОСТАНЦИЙ
Несмотря на кажущуюся простоту по сравнению с другими видами оборудования АЭС (реактор, насосы, парогенераторы и др.), создание арматуры, отвечающей всем предъявляемым к ней требованиям, – сложная задача даже при современном развитии науки и техники. Успешная и бесперебойная работа реакторной установки во многом зависит от надежности работы арматуры.
Основные требования, предъявляемые к арматуре АЭС, следующие:
•надежность;
•коррозионная стойкость в рабочих и дезактивирующих сре-
дах;
•стойкость в условиях повышенной радиации;
•герметичность по отношению к внешней среде и вакуумная плотность;
•герметичность в затворе, длительный ресурс работы;
•по возможности обеспечение быстрого монтажа и демонтажа
ипростота ремонта;
•стойкость в условиях высоких температур и против тепловых ударов, высокая чистота.
Указанные требования налагают ряд ограничений при выборе конструкции, материалов, точности изготовления деталей арматуры АЭС.
Коррозионная стойкость – необходимое условие для всех деталей арматуры, контактирующих с теплоносителем, вследствие загрязнения системы радиоактивными продуктами коррозии. Даже при скорости коррозии 1,5 мкм в год в воду поступают несколько десятков грамм продуктов коррозии с высокой наведенной f-активностью, поэтому конструкционные материалы не должны
44
содержать элементы, образующие при облучении долгоживущие радиоактивные изотопы.
Герметичность по отношению к внешней среде – основной кри-
терий при выборе арматуры первичных контуров АЭС. Максимальная герметичность достигается сваркой соединяемых деталей. Наиболее слабое место в смысле герметичности – уплотнение штоков арматуры.
В арматуре для АЭС применяют различные способы уплотнения штоков:
•простым сальником;
•сальником с отводом протечек;
•замораживающим сальником (для контуров с расплавами), сильфоном.
Рис. 6.1. Конструкция сальника с отводом протечек в арматуре для контуров с активными средами
На рис. 6.1 показана конструкция сальника фирмы, применяемого для обеспечения герметичности в задвижках при давлении 40 кгс/см кв. и с радиоактивными средами. В сальнике предусмотрены устройства для отвода протечек и имеются пружины, которые
45
обеспечивают постоянное поджатие набивки, уменьшая тем самым возможность разгерметизации. В качестве уплотнительного материала в настоящее время для натриевых контуров используют набивку сальника двух типов. Набивка первого типа состоит из металлического волокна толщиной 10 мкм, причем наружные волокна изготовляются из коррозионно-стойкого мягкого металла. Эта набивка обеспечивает удаление со шпинделя натрия.
Набивка второго типа состоит из тонкого листового и металлического волокна, которое уложено чередующимися слоями.
Ни один из указанных способов уплотнения штока не дает гарантии 100 %-й герметичности. Поэтому для большей надежности на сильфонной арматуре устанавливают дублирующий сальник, иногда даже с отводом протечек, предусмотренный на случай выхода сильфона из строя.
Максимально достигаемая герметичность по отношению к внешней среде:
•простой сальник – 10–3 торр л/с;
•сальник с отводом протечек (корпус-крышка соединены
сваркой) – 10–4 торр л/с;
• сильфон с дублирующим простым сальником с отводом протечек (корпус-крышка соединены сваркой) – 10–7 торр л/с.
а |
б |
в |
Рис. 6.2. Схемы соединений корпус-крышка с дублирующими мембранными сварными уплотнениями:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – мембраны
Уплотнение узла корпус-крышка в арматуре АЭС в подавляющем большинстве конструкций осуществляется по типу фланцево-
46
го соединения, хотя используют и более сложные конструкции, позволяющие уменьшить вес и габариты соединения. На рис. 6.2 показаны примеры конструкций соединения корпус-крышка, в которых применены дублирующие мембранные уплотнения. Для низких давлений мембраны выполнены в виде плоских пластин (см. рис. 6.2, а, б), для высоких – в виде тора (см. рис. 6.2, в). Прокладочным материалом служат асбометаллические шнуры и ленты, а также другие материалы (см. гл. 2).
Для предотвращения накапливания радиоактивных продуктов коррозии в отдельных участках контура в конструкциях арматуры АЭС должны быть исключены все застойные зоны и предусмотрены меры для полного дренажа (замены рабочей среды в полости арматуры).
6.1. Классификация арматуры АЭС
Классифицировать арматуру АЭС затруднительно, так как один и тот же вид арматуры можно использовать для различных целей. Клапаны, которые можно применять в установках с одним типом реактора, могут быть непригодными для тех же целей в установках с другим типом реактора. В основном арматуру АЭС можно подразделить на три категории: для реакторов с водяным теплоносителем, для реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, для реакторов с газовым теплоносителем.
По назначению арматура АЭС подразделяется на запорную, регулирующую, предохранительную, арматуру системы защиты и пр. Ко второй относится арматура отбора проб, контрольная и т.п.
По способу уплотнения штока арматура АЭС подразделяется на несколько видов:
1)сальниковая – в основном больших условных проходов, причем сальники выполняются двойные или тройные с отводом протечек;
2)с замораживающим сальником – для контуров с расплавами
(получила широкое распространение в системах с жидкометаллическим теплоносителем);
3)диафрагмовая – для небольших давлений и температур;
4)сильфонная (получила самое широкое распространение в ядерной энергетике, так как обеспечивает максимальную герме-
47
тичность, сильфонное уплотнение имеет ограничение по давлению теплоносителя и по величине хода сильфона, поэтому используется только в арматуре малых размеров);
5) c комбинированным уплотнением – для большей надежности иногда следом за сильфоном устанавливают сальник или имеется замораживающий сальник и пр.
Как правило, на АЭС устанавливают приводную арматуру. Арматуру с ручным приводом используют только в местах, где ее можно обслуживать.
По принципу действия запорную арматуру АЗС подразделяют на клапаны (вентили), задвижки, поворотные дисковые затворы. Запорные клапаны наиболее широко применяются в современных АЭС. На рис. 6.3 приведена конструкция сильфонного клапана.
Рис. 6.3. Схема сильфонного клапана для первого контура АЭС
48
Сильфонная сборка имеет хорошее направление по корпусу, благодаря чему затвор точно центрируется по седлу. В то же время направляющие детали защищают сильфон от воздействия теплоносителя, что благоприятно сказывается на его работоспособности. Ниже дублирующего сальника имеется отверстие для удаления сальника. Корпус состоит из нескольких частей, соединенных элек- тронно-лучевой сваркой. В клапане предусмотрено верхнее уплотнение по штоку и дублирующий сальник с отводом протечек.
Задвижки в контурах АЭС применяются при больших сечениях трубопровода (Dу > 150) и служат только в качестве запорного органа – клин обычно находится в крайних положениях – открытого или закрытого. Попытки применить задвижки для регулирования потока рабочей среды приводят к сокращению срока их службы.
Рис. 6.4. Схема задвижки со штампосварным корпусом для вспомогательных контуров АЭС на 25 кгс/см2
49
На рис. 6.4 приведена конструкция штампосварной задвижки для вспомогательных контуров АЭС на давление 25 атм. Уплотнением служит сальник с отводом протечек.
Быстродействующая арматура, которая устанавливается на АЭС, подразделяется на две группы: отсечные клапаны систем безопасности и отсечные клапаны парогенераторной установки
(ППУ).
Клапаны первой группы устанавливают на трубопроводах с радиоактивными средами, на коммуникациях, проходящих через оболочку. Эти клапаны монтируют последовательно. Назначение одного – быстрое перекрытие системы; второго – обеспечение надежной герметичности.
Назначение отсеченных клапанов ППУ – отсечь реактор или парогенератор от турбины в случае аварии и не допустить полного падения давления в реакторе или парогенераторе.
В основном можно выделить два основных направления в конструктивном исполнении отсечных устройств ППУ АЗС: клапаны вентильного («проходного») типа и клапаны на базе задвижек.
Вентильные клапаны более надежны в работе, но имеют большие габариты и коэффициент гидравлического сопротивления
(0,7–2).
Клапаны на базе задвижек имеют малый коэффициент гидравлического сопротивления (J < 1) и приблизительно на 25 % меньше габариты, однако менее надежны в работе, так как возможны задиры на уплотнительных поверхностях.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Гуревич Д.Ф., Заринский О.Н., Косых С.И. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением. Справочник / Под общ. ред. С.И. Косых. Л.: Машиностроение, 1982. 320 с.
2.Гуревич Д.Ф., Ширяев В.В., Панкин И.Х. Арматура атомных электростанций. М.: Энергоиздат, 1982. 312 с.
3Розанов Д.И. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1982. 207 с.
4.Хефер Р. Криовакуумная техника / Пер. с нем. А.Б. Грачева и Н.В. Калинина. М.: Энергоатомиздат, 1983. 272 с.
50