核電站MSIV執(zhí)行機構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計

楊理烽

高瑞發(fā)中國核電工程有限公司，北京 100840

0 引言

中國核電的發(fā)展從秦山三十萬千瓦壓水堆，再到嶺澳、方家山福清核電工程等六十萬、百萬千瓦機組，已經(jīng)吸收消化掌握了國外核電的設(shè)計技術(shù)，并且已經(jīng)打造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電品牌。但是，對于核電設(shè)備，仍有大量的閥門類設(shè)備至今依賴于國外進口，而且已經(jīng)制約到中國核電走向國際市場。其中主蒸汽系統(tǒng)上的關(guān)鍵設(shè)備主蒸汽隔離閥便是其中之一。到目前為止，該閥門的執(zhí)行機構(gòu)仍未能實現(xiàn)國產(chǎn)化，這其中有眾多的制約因素，如投資、設(shè)計和試驗等，這些因素缺一不可。以下主要介紹該閥門執(zhí)行機構(gòu)氮氣和液壓壓力的計算以及鑒定試驗要求。

1 MSIV 及其執(zhí)行機構(gòu)概況

主蒸汽隔離閥是目前國內(nèi)自主設(shè)計的百萬千瓦級壓水堆核電站和AP1000 等三代百萬千瓦級壓水堆核電站主蒸汽管道系統(tǒng)中的一臺關(guān)鍵閥門，其具有尺寸大，閥門設(shè)計壓力和設(shè)計溫度高，設(shè)計流量高以及關(guān)閉時間要求短等主要設(shè)計特點，由于主蒸汽隔離閥尺寸大，且關(guān)閉時間要求苛刻，如果直接采用電動或者氣動執(zhí)行機構(gòu)，對于此規(guī)格的閥門是難以實現(xiàn)其快速關(guān)閉的要求的，而且快速關(guān)閉通常會對閥座產(chǎn)生較大的沖擊力，縮短其使用壽命。縱觀國際上該閥門執(zhí)行機構(gòu)的產(chǎn)品，基本都是氣液聯(lián)動型式。

典型的主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)的部件主要包括氣缸活塞部件以及相關(guān)的電磁閥、節(jié)流閥以及管路等附件，由于執(zhí)行機構(gòu)采用氣液聯(lián)動形式，因此要完成閥門動作，確定汽缸中的氣體壓力以及液壓是關(guān)鍵之一，同時產(chǎn)品如何進行鑒定也是執(zhí)行機構(gòu)最終實現(xiàn)國產(chǎn)化的關(guān)鍵步驟。

2 氮氣和液壓油壓力的確定

對于氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)，在閥門關(guān)閉初期，汽缸中存在液壓，而閥門關(guān)閉結(jié)束時，液壓油被完全排出，此時氮氣壓力與摩擦力及介質(zhì)作用給閥瓣的壓力相平衡，由此可以得出汽缸中氮氣所必需的最小壓力。當(dāng)閥門關(guān)閉時，以閥瓣為受力對象，見圖1，設(shè)：

F—閥桿作用在閥瓣上的力；

P—蒸汽作用在閥瓣上的力；

N—閥門關(guān)閉時閥座密封面對閥瓣的作用力；

D—閥座密封面平均直徑；

α—閥瓣楔形角度；

Fm—閥門關(guān)閉時密封面摩擦力；

fm—閥門關(guān)閉時密封面摩擦系數(shù)。

根據(jù)以下閥瓣受力圖，可得出閥瓣受力平衡方程：

閥門關(guān)閉時閥桿受力平衡方程為：

其中：FG為閥門關(guān)閉時閥桿所受的總推力；

FF為閥瓣對閥桿的反作用力（即閥瓣受力F）；

FJ為介質(zhì)對閥桿的推力；

FT為填料密封對閥桿的摩擦力。

因此閥桿受力方程可表示為：

圖1

閥門關(guān)閉時閥桿所受的總推力即為閥門關(guān)閉時的氮氣作用力，因此需要達到要求的關(guān)閉力的氮氣最小氣壓Pminc 為：

其中：A 為活塞上部（氮氣側(cè)）面積

閥門在動作過程中，將氣缸內(nèi)的氮氣視為定熵過程，設(shè)執(zhí)行機構(gòu)用于閥門關(guān)閉時，氮氣壓力為 Pminc，由定熵過程氣體狀態(tài)方程可得閥門打開時要求的氮氣壓力為：

其中：

VO為閥門處于開啟位置時執(zhí)行機構(gòu)氮氣體積

VC為閥門處于關(guān)閉位置時執(zhí)行機構(gòu)氮氣體積

k 為等熵系數(shù)

由于環(huán)境影響，實際閥門所處的溫度有一個變化范圍，因此，在確定氮氣壓力時還需要考慮環(huán)境溫度。

假設(shè)在最低環(huán)境溫度下打開閥門，此時氮氣壓力為PominT，那么將有以下關(guān)系式，即：

可得最低環(huán)境溫度下閥門最小關(guān)閉力為：

所以當(dāng)FcminT＞ FG時，閥門能夠關(guān)閉，閥門關(guān)閉時氮氣最小壓力為：

而當(dāng)?shù)獨馓幱谧罡攮h(huán)境溫度下時，執(zhí)行機構(gòu)中氮氣壓力（閥門開啟時）為：

因此執(zhí)行機構(gòu)在最高環(huán)境溫度下的關(guān)閉力為

相應(yīng)的最高環(huán)境溫度下的氮氣壓力為

而如果將執(zhí)行機構(gòu)的動作過程視為定溫過程，那么根據(jù)過程方程式，在最低環(huán)境溫度下，氮氣壓力為：

在最高環(huán)境溫度下，氮氣壓力為：

綜上，依據(jù)執(zhí)行機構(gòu)動作時氣體不同的熱力過程以及環(huán)境溫度的影響，最后氮氣壓力的確定可依據(jù)上述方程選取。

而對于執(zhí)行機構(gòu)中液壓力的確定，可根據(jù)閥門動作時啟閉力比值η，來確定閥門開啟時所需的最小液壓力：

用于保持閥門開啟的最小液壓為：

3 執(zhí)行機構(gòu)鑒定試驗要求

為了確認(rèn)在預(yù)期的使用工況條件下，包括設(shè)計基準(zhǔn)事故和超設(shè)計基準(zhǔn)事故以及在役檢查和試驗工況下設(shè)備具有足夠的功能，按照美國標(biāo)準(zhǔn)，對于核電站中安全相關(guān)的閥門執(zhí)行機構(gòu)，應(yīng)按照IEEE 382 的要求進行鑒定。而國內(nèi)的NB 標(biāo)準(zhǔn)也對壓水堆核電廠閥門執(zhí)行機構(gòu)的鑒定試驗要求進行了規(guī)定。因此，主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)國產(chǎn)化時如何進行鑒定試驗將成為一項關(guān)鍵性的工作。

從兩類標(biāo)準(zhǔn)的試驗項目得出，IEEE 382 中是明確了鑒定試驗的內(nèi)容，而NB 中不僅規(guī)定了鑒定試驗內(nèi)容，包括之前的基本性能試驗也給出了詳細(xì)要求。

我們對試驗項目進行了對比，其中，熱老化試驗、加壓循環(huán)試驗、地震模擬試驗和設(shè)計基準(zhǔn)事故環(huán)境試驗的要求相同，而不同的試驗內(nèi)容包括：

1）正常輻照老化試驗

IEEE 382 標(biāo)準(zhǔn)并未對不同鑒定等級的設(shè)備區(qū)別對待，標(biāo)準(zhǔn)中要求進行該項試驗，以應(yīng)對設(shè)計基準(zhǔn)事故。該試驗進行時，首先執(zhí)行機構(gòu)需要在帶載工況下完成其操作循環(huán)的一半，然后將執(zhí)行機構(gòu)置于伽馬射線下模擬其安裝壽命內(nèi)預(yù)期受到的累積劑量，輻照累計要求為20kGy（40 年），未規(guī)定劑量率。而我國的NB 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定K1、K2 類執(zhí)行機構(gòu)進行該試驗時，伽馬累計輻照量為250kGy，并且規(guī)定劑量率為0.25Gy/s±0.14 Gy/s。而主蒸汽隔離閥屬于K3 類設(shè)備，按照NB 標(biāo)準(zhǔn)將不需要進行輻照老化試驗。

2）振動老化試驗

IEEE 382 標(biāo)準(zhǔn)要求試驗時使執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)歷三個正交軸向上0.75g 的加速度，掃描頻率范圍從5Hz 到100Hz 再到5Hz，而我國的NB 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定掃描頻率范圍從5Hz 到200Hz 再到5Hz，速度均為2 倍頻程/分鐘。

3）設(shè)計基準(zhǔn)事故輻照試驗

IEEE 382 規(guī)定對于設(shè)置在壓水堆安全殼外經(jīng)受蒸汽影響的執(zhí)行機構(gòu)要求進行該試驗，該試驗可與正常輻照老化試驗結(jié)合進行，但應(yīng)在抗震試驗之前進行。在進行該試驗時，其輻照劑量要求均與正常輻照老化試驗時的要求相同，而我國的NB 標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定K1、K2 類執(zhí)行機構(gòu)進行該試驗，試驗時伽馬累計輻照量為600kGy，遠高于IEEE 382 中的標(biāo)準(zhǔn)，劑量率為0.25Gy/s±0.14 Gy/s。因此，研發(fā)主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)時也需要明確是否需要進行設(shè)計基準(zhǔn)事故輻照試驗，而由于其與正常輻照老化試驗可結(jié)合進行，因此存在三種不同的累計輻照劑量標(biāo)準(zhǔn)。

4）機械磨損老化試驗

NB 標(biāo)準(zhǔn)中要求執(zhí)行機構(gòu)在加載情況下完成2000 次的循環(huán)操作運行，而IEEE 382 中無該項試驗內(nèi)容。

5）壽命試驗

NB 標(biāo)準(zhǔn)中對執(zhí)行機構(gòu)規(guī)定了壽命試驗，要求執(zhí)行機構(gòu)在額定載荷下進行10000 次帶載循環(huán)操作，試驗后測量相應(yīng)的行程和推力值，并且試驗樣機不能進行老化、抗震和事故模擬試驗。而IEEE 382 中也無該項試驗。

綜上，對于研制的執(zhí)行機構(gòu)的鑒定試驗，兩類標(biāo)準(zhǔn)的主要差異體現(xiàn)在輻照試驗和動作壽命試驗。對于閥門及其執(zhí)行機構(gòu)而言，其動作次數(shù)是一個重要的考核指標(biāo)，所以在鑒定試驗中完成一定次數(shù)的閥門帶載循環(huán)操作具有一定的必要性。但是按照NB 標(biāo)準(zhǔn)中動作壽命試驗和其他鑒定試驗的要求，意味著需要制造兩個執(zhí)行機構(gòu)樣機，而對于主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)而言，這一要求可操作性不強。

因此，結(jié)合三代壓水堆核電站主蒸汽隔離閥的正常運行工況和定期試驗工況，其壽期內(nèi)動作次數(shù)大致在3000 次左右，所以建議在執(zhí)行機構(gòu)進行鑒定試驗時除滿足IEEE 382 的試驗項目以外，增加NB 標(biāo)準(zhǔn)中的機械磨損老化試驗，試驗次數(shù)以主蒸汽隔離閥壽期內(nèi)實際動作次數(shù)為依據(jù)而確定，以保證較好的經(jīng)濟性和可操作性。

4 結(jié)論

綜上所述，本文給出了典型氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)氣壓和液壓的計算方法，同時就執(zhí)行機構(gòu)不同鑒定標(biāo)準(zhǔn)試驗內(nèi)容進行了對比并給出建議的鑒定試驗要求，供設(shè)計人員參考，為主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)的國產(chǎn)化提供技術(shù)支持。

[1]沈維道.工程熱力學(xué)，高等教育出版社，2007，6.

[2]楊源泉.閥門設(shè)計手冊，機械工業(yè)出版社，2000，4.

[3]IEEE 382 standard for qualification of actuators for power-operated valve assemblies with safety-related functions for nuclear power plants.1996

[4]王曉江，樂秀輝，朱樂堯，張為，徐文才，鄭超坤.NB/T20010.12 壓水堆核電廠閥門.第12部分：氣動裝置原子能出版社，2010，10.