淺談核電站氣動閥的設計基礎審查

摘要：文章介紹了核電站氣動閥門專項管理的實施，著重分析了氣動閥門設計基礎審查的流程，開發(fā)了閥門所需最大推力和反作用隔膜式執(zhí)行機構出力的計算方法，并通過計算實例和診斷測試的數(shù)據(jù)加以驗證，表明了計算方法的可用性。

關鍵詞：氣動閥；設計基礎審查；執(zhí)行機構出力

中圖分類號：TM623?；?；?；?；文獻標識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0127-03

1?；概述

美國多數(shù)核電站對氣動閥門實行專項管理，設置專門的組織機構，發(fā)布專用的程序以支持氣動閥專項管理的實施。氣動閥專項管理包括范圍和分級、設計基礎審查、設定值控制、預防性維修要求、試驗要求和趨勢跟蹤等。在美國電站中，設計基礎審查有兩種方式，一是使用專用的軟件，二是根據(jù)不同的閥門類型開發(fā)不同的計算方法，主流的軟件有Teledyne公司開發(fā)的ACE軟件和KVAP軟件。

三門核電一期工程引進美國西屋三代核電技術，在三門核電一期工程1#機組中共有氣動閥700余臺，其中，核級閥門共67臺。目前，三門核電已發(fā)布了氣動閥專項管理大綱，對氣動閥進行分級管理，根據(jù)不同的分級結果對閥門采取不同的管理策略，以下主要介紹氣動閥的設計基礎審查。

2設計基礎審查

圖1

在機組投運后，系統(tǒng)和閥門的狀況會隨著時間的推移發(fā)生變化，偏離最初的設計和選型要求，如閥門的填料會隨著時間老化，填料摩擦力的增大會從多方面影響閥門的性能。通過設計基礎審查，可以記錄閥門的原始數(shù)據(jù)，有利于閥門的趨勢跟蹤，為閥門維修和參數(shù)的調整提供依據(jù)。

設計基礎審查是通過計算或運行實踐評估氣動閥門所在系統(tǒng)的設計基礎工況下（最差工況）的運行性，設計基礎審查的目的在于確定氣動閥的輸出能力及裕量，設計基礎審查包括系統(tǒng)層級審查和設備層級審查。

設計基礎審查的基本流程如圖1所示。

2.1系統(tǒng)層級審查

系統(tǒng)層級審查用來確定氣動閥的功能，通過審查氣動閥所在系統(tǒng)的運行參數(shù)和運行工況，確定閥門的最差運行工況，所得結果作為設備層級審查的輸入數(shù)據(jù)。需要審查的資料包括電廠的最終安全分析報告、電站運行程序、設計基礎文件、工藝系統(tǒng)流程圖紙、安裝圖紙、相應泵的流量曲線以及應急運行規(guī)程等文件。

氣動閥功能審查需審查閥門的所有功能，包括聯(lián)鎖和相關控制等功能，具體需要審查的信息有：閥門類型（閘閥、蝶閥、截止閥等）、執(zhí)行機構類型、設備名稱及編碼、閥門正常位置、閥門失效位置、閥門尺寸、閥門設計壓力及溫度等。閥門的各種功能均定義為一種工況，如某常開閥門實現(xiàn)2種功能，其工況定義如下：

工況1：緊急工況下，在電廠發(fā)出安全殼隔離信號后閥門關閉，以維持安全殼功能。

工況2：正常運行工況下，閥門保持一定開度，維持系統(tǒng)運行。

閥門各種功能都應審查并記錄，記錄的信息包括閥門行程方向、正常運行工況、設計工況、基準事故工況以及上下游壓力基準值。

氣動閥每種工況下的功能審查，需要確定其上下游壓力以便于確定氣動閥在開關過程中流經(jīng)閥門的最大壓差，對于事故情況下實現(xiàn)關閉功能的閥門，需要檢查閥門在事故情況下是否有效落座，隨著系統(tǒng)壓力的升高，閥門的背壓升高，易導致閥門開啟，無法實現(xiàn)關閉功能。通過以下步驟可以確定閥門所在的系統(tǒng)壓力：

（1）確定閥門所在系統(tǒng)的差壓和流向，對于截止閥來說，是低進高出或高進低出。

（2）確定氣動閥位置信息，由于高度差異，上下游壓力需要調整，若管道中流經(jīng)的是蒸汽或氣體，高度差引起的壓差可以忽略。

（3）確定流體的類型、最小和最大溫度以及流經(jīng)閥門流體的密度。

在多數(shù)情況下，閥門最大差壓通常發(fā)生在閥門全開或全開的位置，此時，流量接近于0，忽略管線損失。

因此，上、下游壓力如下：

Pup=PP+PeleU+PsurfU

Pdn=PeleD+PsurfD

其中：

PP—上游泵的壓頭

PeleU、PeleD—上、下游靜壓

PsurfU、PsurfD—上、下游環(huán)境壓力

因此，可得系統(tǒng)壓差為：?；p=Pup-Pdn

在美國西屋公司提供的部分氣動閥設計文件中，已提供了閥門各個運行工況下閥門所在的系統(tǒng)差壓，因此，查閱設計文件就可以得到閥門最差工況下的系統(tǒng)

差壓。

2.2設備層級審查

設備層級審查用來確定氣動閥執(zhí)行機構的輸出能力和閥桿要求的扭矩或推力值，系統(tǒng)層級審查中確定的系統(tǒng)最大壓差作為設備層級審查的輸入，用來計算最差工況下氣動閥開關過程中要求的閥桿推力或扭矩，設備層級審查還可以評估閥門、執(zhí)行機構和其他儀表附件的設定值，如減壓閥輸出壓力。

設備層級審查分為以下3個步驟：

計算閥門所需的最大推力或扭矩；核算執(zhí)行機構出力；計算氣動閥的裕量。

（1）閥門所需的最大推力和扭矩。下面以截止閥為例，介紹閥門所需推力的計算。圖2是不平衡式截止閥關閉時的受力情況，閥門介質流向為低進高出。

在計算閥門所需推力時，忽略閥芯和閥桿的重力，因此，閥門開啟、關閉位置時所需的推力如下：

（1）

（2）

其中：

FP—填料摩擦力，在閥門打開、關閉時均存在

FDP—流體壓差施加在閥芯上的力，閥門開啟時為0

FSL—閥座密封力，即閥座泄漏率等級所需的密封力，閥門關閉時存在

對于填料摩擦力FP，大多數(shù)廠家會推薦一個參考值，也可以通過計算公式得到：

式中FFP是填料摩擦系數(shù)，根據(jù)不同的壓力等級和填料類型可以得到相應的填料摩擦系數(shù)，DS是閥桿直徑。

閥門在關閉位置時，閥門所在系統(tǒng)的差壓施加在閥門不平衡面積上的力稱為FDP，如下式所示：

式中ΔP為系統(tǒng)差壓，ACMU為閥門關閉時的閥芯不平衡面積，閥芯不平衡面積與閥芯類型和閥芯尺寸有關。對于不平衡式閥芯，閥芯不平衡面積就是閥芯的面積，平衡式閥芯的不平衡面積是閥芯面積與閥芯平衡孔面積的差值。

閥座密封力FSL和閥門的密封等級有關，表1是閥門行業(yè)內(nèi)公認的計算閥座密封力的公式：

表1閥座密封力的計算公式

表1中ΔP為系統(tǒng)差壓，DP為閥座直徑。

通過以上的計算，可以得到閥門開啟和關閉時所需的最大推力。氣動執(zhí)行機構的出力滿足閥門的最大推力要求，才能保證閥門實現(xiàn)其安全功能。

（2）執(zhí)行機構出力。執(zhí)行機構出力的計算需要以下信息：彈簧系數(shù)、壓空氣源壓力，有效隔膜面積、彈簧預加載荷及一些其他變量，如彈簧老化程度、減壓閥設定值偏移量等，這些變量可以統(tǒng)一作為計算偏差來處理。執(zhí)行機構出力的計算根據(jù)閥門動作方式的不同可分為直行程和角行程，根據(jù)執(zhí)行機構的不同可以分為隔膜式和活塞式，每種執(zhí)行機構的出力計算有較大差別。

直行程執(zhí)行機構根據(jù)作用方式可以分為正作用和反作用，下面以反作用隔膜式直行程執(zhí)行機構為例介紹計算方法，執(zhí)行機構帶有彈簧，反作用直行程執(zhí)行機構為下進氣，執(zhí)行機構失氣時閥門處于關閉位置。因此，在閥門開啟時，執(zhí)行機構需要提供較大出力，閥門關閉時，依靠執(zhí)行機構彈簧的預緊力提供閥門關閉時的密封力。

閥門在開啟位置時，執(zhí)行機構出力FAOP如下：

（3）

式中，PsuPply為氣源壓力；EDA為執(zhí)行機構隔膜的有效面積；Benchsetupper為執(zhí)行機構彈簧預緊力高值；δt為執(zhí)行機構出力計算時總的誤差。

閥門在關閉位置時，執(zhí)行機構出力FACL如下：

（4）

式中，Benchsetlower為執(zhí)行機構彈簧預緊力低值；EDA為執(zhí)行機構隔膜的有效面積；在計算執(zhí)行機構出力時，執(zhí)行機構隔膜的有效面積在執(zhí)行機構動作過程中不是固定不變的，彈簧的彈性系數(shù)和減壓閥設定值也存在偏差，這些偏差統(tǒng)一由δt來表示。

（3）氣動閥的裕量計算。裕量是閥門所需最大推力或扭矩與執(zhí)行機構出力之間的差值，以百分比表示。裕量的大小反映了設備的某種趨勢，如執(zhí)行機構的出力增大或閥桿所需的推力增大。由于執(zhí)行機構的出力會隨著行程改變而不斷變化，因此需要評估閥門在多個位置的裕量。對于直行程閥門，需要評估的有全開位置和全關位置。

閥門的裕量用θ表示，根據(jù)公式（1）、（2）、（3）、（4），閥門在全開位置和全開位置時的裕量如下：

（5）

（6）

閥門裕量在10%以上可以認為是狀態(tài)良好，不需要采取維修措施，5%以上的裕量表示閥門需要關注，需要對閥門進行評估，是否需要調整設定值使裕量升至10%以上。裕量在0%以上僅表示閥門可以操作，但需要進行一系列行動提高裕量，如調整減壓閥設定值，調整彈簧預緊力，調整填料等。如果裕量為負數(shù)，需要評估閥門的可操作性，如有必要更換閥門。

（4）計算實例。下面以三門核電1#機組的一臺氣動閥為例，計算閥門所需最大推力和執(zhí)行機構出力。該截止閥為反作用隔膜式直行程執(zhí)行機構，流向是低進高出，閥門設計壓力為Class 600，泄漏等級為Class IV，填料類型為石墨填料，減壓閥設定值48 psi，閥門行程1.5 inch，閥桿直徑1 inch，閥座直徑1.875 inch，彈簧彈性系數(shù)為2100 lbs/inch，彈簧預緊力為21.5 psi-32 psi，執(zhí)行機構有效隔膜面積為320，執(zhí)行機構最大進氣壓力為70 psi，閥門所在系統(tǒng)最大差壓為1091 psi。

經(jīng)查閱文件，壓力等級為Class 600，石墨填料的摩擦系數(shù)為862.5，此閥門為失效關，主要功能是起隔離作用，根據(jù)公式（1）、公式（2）可得閥門開啟、關閉時的最大推力要求如下：

根據(jù)公式（3）、公式（4）可得執(zhí)行機構在開啟、關閉時的出力如下，總的偏差：

由以上計算結果可知，執(zhí)行機構在開啟、關閉時都可以滿足閥門所需的最大推力要求，且閥門的裕量滿足要求。

圖3氣動閥診斷測試曲線

圖3是本閥門使用診斷設備測試得到的曲線，由診斷曲線可知，閥門在關閉位置執(zhí)行機構的推力為6386lbf使用公式計算的執(zhí)行機構推力為5848lbf兩者比較接近，因此上述算法可以用于反作用隔膜式執(zhí)行機構的設計基礎審查。

3結語

設計基礎審查對于核電廠關鍵的氣動閥門非常重要，通過設計基礎審查，可以獲得氣動閥執(zhí)行機構的性能信息和裕量信息，作為閥門趨勢跟蹤的依據(jù)。開展氣動閥門的設計基礎審查工作，需要開發(fā)適用的計算方法或購買專用的軟件，目前，國內(nèi)還未開展本領域工作。希望通過本文對閥門所需推力和執(zhí)行機構出力的計算方法的研究，對國內(nèi)其他在建的三代核電機組有參考意義。

參考文獻

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[2]?；劉夏城，等.AP1000三門項目氣動閥專用管理研究?；[A].核能行業(yè)閥門狀態(tài)管理經(jīng)驗交流會[C].2013.

作者簡介：付興成（1988—），男，山東微山人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：氣動閥門的調試、診斷測試和日常維護。