​恒立佳创：核电站主给水气动调节阀的设计

一、概述

核电站主给水气动调节阀是主给水系统的关键设备，目前该类阀门多依赖进口，且存在整体重心偏高、执行机构膜片易破损、采购与维修成本高、供货周期长等问题。为此，设计中采用多弹簧执行机构与滚动膜片设计，优化了阀门的抗振性能与使用寿命。该类阀门主要包括满负荷（FLCV）、低负荷（LLCV）和低低负荷（VLLCV）三种型号。

二、应用系统

满负荷调节阀（FLCV）：机组负荷低于 20% 满功率（FP）时保持关闭，高于 20% FP 时开启并调节给水流量，维持蒸汽发生器液位稳定，具备大调节范围、高调节精度、高稳定性、高关闭压差和长使用寿命的特性。

低负荷调节阀（LLCV）：机组负荷低于 20% FP 时负责给水流量调节，20%~100% FP 时保持全开，由满负荷调节阀承担流量调节任务，关键要求为大调节范围、高调节精度和高关闭压差。

低低负荷调节阀（VLLCV）：用于机组启动和停堆阶段的给水流量调节，额定功率运行时保持关闭，适用于小流量、高工作压差和高气蚀工况，需满足大调节范围和高调节精度要求。

三、结构设计

（一）技术参数

三款阀门的系统设计压力均为 12.9MPa，设计温度 250℃，工作介质为水，阀全关时比较大压降 12.9MPa，全行程开启与关闭时间均小于 20 秒，民用核安全等级为 NNS (S)，RCC-M 规范等级 3 级，质保分级 Q3，抗震要求符合相关标准。其中，满负荷与低负荷调节阀比较大工作压差均为 0.35MPa，泄漏等级（ANSI/FCI 70-2）分别为 IV 级和 N 级，循环寿命分别为 4 万次和 1 万次，公称通径对应 DN450 和 DN200；低低负荷调节阀比较大工作压差 8MPa，泄漏等级 N 级，循环寿命 1 万次，公称通径 DN100，三款阀门均具备修正等百分比流量特性，失效位置均为关闭状态。

（二）关键技术

调节控制性能：执行机构采用高刚度输出弹簧，搭配响应精度高的膜片，利用其输出特性降低阀门摩擦及介质对控制响应的干扰，提升阀门响应速度与控制精度。

流量控制稳定性：采用打孔节流方式，将介质均匀细分并分布于阀芯内，减少涡轮现象，降低介质间干扰，保障流体控制稳定。

抗气蚀设计：阀芯采用迷宫碟片与打孔组合结构，兼具小流量高压差抗气蚀特性和大流量节流稳控优势。

（三）设计方案

整体结构：阀门由阀体、阀盖、阀杆、套筒、阀芯、填料组件、支架、气动执行机构等零部件组成，通过气动执行机构带动阀杆、阀笼上下运动实现流量调节。阀内件采用套筒式 + 节流小孔 + 迷宫片设计，允许压差大、控制稳定且噪声小；套筒采用浮动预紧设计，减少热膨胀影响，提升密封性；采用金属硬密封设计增强耐磨性，延长使用寿命；填料选用核级柔性石墨垫片，密封效果好，可降低热膨胀带来的影响，整体结构简单，便于拆卸、检查和维护。

气动执行机构：采用气动薄膜多弹簧执行机构，关键设计要点包括推力、摩擦力、不平衡力和行程。该机构体积小、质量轻，操作维修便捷，膜盖盘、限制件等零件经切削加工成型，多弹簧设计优化了制造工艺，便于不同弹簧范围组配，可调零功能提升了线性精度，且受力均匀、稳定性好；搭配的膜片响应快、摩擦力小，进一步保障了阀门的调节精度与稳定性。

气控回路：电气元件采用面板式固定，抗振性强，结构简单、更换便捷且可靠性高。

阀内件：满负荷与低负荷调节阀采用套筒结构，分别设计 6 个 V 形窗口和节流小孔，小孔设计具备降噪、控制稳定、应力均匀、抗流体干扰能力强的特点，阀芯采用平衡型机构，允许压差大，套筒导向面积大，抗振性和耐磨性优异；低低负荷阀门采用多级降压及节流孔设计，确保小流量调节效果，提升小流量开度、降低压差并消除气蚀。满负荷调节阀在不同开度下的流量测试数据显示，15% 开度时平均 Kv 值 50.8，20% 开度 70.7，30% 开度 141.8，40% 开度 389.2，50% 开度 663.8，60% 开度 905.7，70% 开度 1181.7，80% 开度 1427.7，90% 开度 1582.5，100% 开度 1712.6，流量特性稳定。

填料设计：采用柔性石墨满足高温高压使用要求，浮动预紧设计延长使用寿命，设置吹出机构方便维修。

金属硬密封设计：套筒与阀芯间采用自润滑金属密封圈，减少磨损，延长阀门使用寿命。

设计优化：通过数字化加工、模块式组装、防松防转设计提升结构稳定性；借助金属硬密封圈、膜片优化、填料浮动预紧实现寿命优化；选用适配材料、采用套筒浮动预紧设计减少热态影响；通过节流小孔、多级降压设计改善流量控制特性；优化执行机构选型与控制气路设计，提升定位响应精度；合理设计调节曲线，保障调节有效性。

四、技术创新

（一）结构性能创新

满负荷与低负荷调节阀的套筒结构及低低负荷阀门的多级降压节流设计，分别适配不同工况需求，提升了抗干扰、稳流量、抗气蚀能力。

结合 FMECA 分析与运行经验，为阀门设计改进提供了理论支撑。

节流面与密封面分离设计，延长了阀门使用寿命。

多弹簧薄膜式气动执行机构的应用，兼顾了稳定性、体积、重量与运维便利性。

碟簧预紧式套筒结构有效避免温差导致的内件形变与卡塞问题。

自润滑金属密封圈降低了套筒与阀芯间的磨损。

（二）实施效果

主给水调节阀实现了此类阀门的完全自主化，并已推广至其他在建及在运机组，为进口阀门替代与产业化奠定了基础。与进口阀门相比，国内生产成本只为国外的 60％～70％，特别降低了采购成本，助力核电 “走出去” 战略实施。同时，项目推动了产学研深度结合，培养了创新人才队伍，实现了原材料、成品零部件采购及试验项目的多方面国产化，带动了产业链协同发展。

五、结语

主给水气动调节阀成功攻克了高气蚀、高压差、高调节精度等技术难点，实现了小流量调节性能的优化与系统稳定性的提升，解决了多弹簧气动执行器设计、气控部件及整机抗振、气动膜片寿命等关键问题，满足了阀门 4 万次循环使用要求。通过研发具有自主知识产权的三代压水堆核电站主给水气动调节阀，我国掌握了三代 ARE 主给水调节阀关键技术，能够充分满足国内核电发展与核电 “走出去” 战略的需求。

（恒立佳创是恒立集团在上海成立的一站式客户解决方案中心，旨在为客户提供恒立全球12个生产制造基地生产的液压元件、气动元件、导轨丝杆、密封件、电驱电控、精密铸件、无缝钢管、传动控制与系统集成等全系列产品的技术支持与销售服务。）