核電廠電動閥設計基準分析

李　杰，王　海

（1. 核動力運行研究所，湖北　武漢　430223；2. 三門核電有限公司，浙江　三門　317112）

核電廠電動閥設計基準分析

李杰1，王海2

（1. 核動力運行研究所，湖北武漢430223；2. 三門核電有限公司，浙江三門317112）

文章著重介紹了核電廠電動閥門的設計基準審查，包括系統層級審查和設備層級審查。系統層級審查是確定電動閥所在系統在電廠執照要求范圍內最差的運行工況，設備層級審查是確定閥門的結構強度限值、降電壓執行機構的輸出能力、閥門所需的推力/扭矩、執行機構的輸出能力和執行機構輸出能力裕量。通過閥門設計基準審查的實施，計算出閥門執行其安全相關功能所需的最小推力/扭矩，確定當前安裝的電動執行機構在假定的事故工況下，能否提供所需的推力/扭矩，用以保證電動閥在事故工況下執行其安全功能。

電動閥；設計基準審查；裕量

核電廠核島電動閥多分布于重要系統中，電動閥的安全與系統的安全息息相關。電動閥門的失效可能會導致嚴重的核安全事故，美國三哩島核事故主要原因之一就是閥門的故障。通過閥門設計基準審查的實施，計算出閥門執行相關安全功能所需的最小推力/扭矩，確定當前安裝的電動執行機構在假定的事故工況下能否提供所需的推力/扭矩，提供所需的扭矩是電動閥在事故工況下執行其安全功能的必要條件。

1　設計基準審查

設計基準審查用于驗證電動閥選型的準確性，并確定定期驗證試驗所需要的工況，設計基準審查包括了系統層級審查和設備層級審查。

1.1系統層級審查

系統層級審查用于確定電動閥所在系統在電廠執照要求范圍內最差的運行工況，其結果將作為設備層級審查的輸入數據。

系統層級審查需確定以下參數：

1） 正常閥位；

2） 介質類型；

3） 介質溫度；

4） 介質流動方向對閥門開關的影響；

5） 介質流速；

6） 管道流體壓力。

根據以上參數估算閥門的最大壓差工況，估算的基本方法是放大閥門上游壓力，降低下游壓力。上游壓力包括泵的壓力（Pp）、靜壓（PelvU）、環境壓力（PareaU），即Pup= Pp+ PelvU+ PareaU。其中，泵的壓頭取最大值，即關閉壓頭，由廠家提供，或者在性能曲線中取得。環境壓力可以是大氣壓力，也可以是流體源頭的箱體壓力等。下游壓力（Pdn）包括靜壓（PelvD）和環境壓力（PareaD），即Pdn= PelvD+ PareaD。當無法確定下游壓力時，一般保守取值為0。最大壓差為：MEDP=Pup- Pdn。估算的最大壓差作為設備層級審查的輸入值，用以計算閥門所需的最小推力或扭矩。

1.2設備層級審查

設備層級審查用于確定閥門的結構強度限值（weaklink）、執行機構的輸出能力、閥門所需的推力/扭矩以及執行機構輸出能力裕量，另外還需關注閥桿和閥桿螺母能否自鎖及電動執行機構能否自鎖。另外，根據美國核管會發布的GL 95-07文件的要求，對于電動閘閥還要評估熱粘連和閥腔憋壓。

設備層級審查主要分為以下3個步驟：

1） 計算閥門所需的最小推力；

2） 驗證執行機構的輸出能力；

3） 比對執行機構的出力和閥門運行必需的最小推力，計算出電動執行機構的裕量。

1.2.1計算閥門所需的最小推力

下面以電動楔式閘閥為例，介紹閥門關閉、開啟所需推力的計算。

閥門關閉所需要的最小推力：

閥門開啟所需要的最小推力：

為了給診斷測試提供推力驗收標準，在此必須確定測試推力值窗口，上、下限值的確定方法如下：

（1）下限值的確定

通過上述公式計算得出閥門關閉所需要的最小推力F1，在實際的測試工程中，存在許多不確定的因素，會對最小推力F1值產生影響，因此必須對F1進行修正，考慮的不確定因素如下：

1）扭矩開關的重復性誤差：5%；

2）診斷設備的誤差：10%；

3）負載誤差：10%；

4）閥桿潤滑降質誤差：5%。

前面兩項為隨機性誤差取其均方根，后兩項直接相加，得到總的誤差為26.18%；再考慮10%的裕量；最終確定的閥門關閉推力下限值F下限=F1×1.3618。

（2）上限值的確定

測試推力上限值通過以下幾個參數確定：

1）閥門結構強度限值，閥門廠家提供；

2）執行機構額定推力或扭矩，執行機構廠家提供；

3）執行機構在80%額定電壓下的輸出能力，在緊急情況下電廠供電系統可能只能提供80%的額定電壓，故要考慮80%額定電壓下的輸出能力，通過降電壓時執行機構的輸出能力公式計算獲得。

取上述3個參數中的最小值Fmin，然后向下進行不確定度的修正，此時只需考慮扭矩開關的重復性誤差和診斷設備的誤差，將兩項取其均方根，得到的總誤差為11.18%，最終確定的閥門關閉推力上限值F上限=Fmin×（1-0.111 8）。

1.2.2驗證執行機構的輸出能力

執行機構的輸出能力計算公式如式（1）、式（2）：

對于交流電機，當實際可用電壓為額定電壓的90%～110%時，n=0；當實際可用電壓為額定電壓的70%～90%時，n=2。

對于直流電機，n=1。

執行機構輸出推力的能力=執行機構輸出的扭矩/閥桿因子。

1.2.3比對執行機構的出力和閥門所需的最小推力，計算出電動執行機構的裕量

裕量是閥門所需最小推力和電動執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，如電動執行機構的出力增大或閥桿所需的推力增大。

閥門裕量在10%以上可以認為閥門狀態良好，不需采取任何行動項；閥門裕量在5%以上表示閥門需要關注，對閥門進行評估，可能調整設定值使裕量升至10%；閥門裕量在0%以上僅表示閥門可以操作，但需要一系列行動項提高裕量，如調整填料，增大扭矩設定值等。如果閥門裕量為負值，則需要評估閥門的可操作性，評估就地環境，如有必要可以更換閥門、電動執行機構。

2　結束語

文章著重分析了電動閥設計基準審查的流程，總結了閥門執行相關安全功能所需的最小推力/扭矩的計算公式和電動執行機構輸出能力的計算公式，通過計算結果的比對得出電動執行機構的裕量。裕量在0%以上，表示當前安裝的電動執行機構在假定的事故工況下，能提供所需的推力/扭矩，是保證電動閥在事故工況下執行其安全功能的必要條件。希望文章能為國內核電廠電動閥管理工作提供參考。

［1］ EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center：Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants Revision 2［R］，2007.

［2］ 韓杰.A P1000三門核電廠電動閥診斷方法介紹［C］.核能行業閥門狀態管理經驗交流研討會論文集，2013.（HAN Jie. The Diagnostic Method for the Electric Valves of Sanmen AP1000 NPP［C］. Proceedings for the Management Experience Exchange Seminar on Nuclear Valve Status，2013.）

［3］ NRC， NRC Generic Letter 89-10： Safety-Related Motor-Operated Valve Testing and Surveillance Results of the Public Workshops［R］，June 28， 1989.

［4］ NRC， NRC Generic Letter 96-05： Periodic Verification design-basis Capability of Safety-Related Motor-Operated Valve［R］， September 18，1996.

［5］ NRC， Resolution of Generic Safety Issue 158：Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions［R］， March 15， 2000.

Design Basis Review for Motor Operated Valves in Nuclear Power Plant

LI Jie1，WANG Hai2
（1. Research Institute of Nuclear Power Operation，Wuhan of Hubei Prov. 430223，China；2. Sanmen Nuclear Power Co.，Ltd.，Sanmen of Zhejiang Prov. 317112，China）

This article introduces the design basis review for motor operated valves in nuclear power plant. The design basis review consists of both a system level review and a component level review. The system level review determines the worst operating conditions of motor operated valves system within the licensing basis of the plant. The component level review establishes the weak link of motor operated valves， degraded voltage actuator output capabilities， required operating torque/ thrust， actuator output capability， and available actuator capability margin. The design basis review is to develop a calculation that determines the required force to open or close a valve and make sure the installed operator can supply the required force under postulated accident conditions which will make sure motor operated valves have the ability to execute safe function under accident condition.

motor operated valves；design basis review；margin

TL32Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0114-03

TL32

A

1674-1617（2015）02-0114-03

2015-02-04

李杰（1982—），男，湖北漢川人，工程師，本科，從事核電廠閥門診斷及診斷設備研發工作。