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，開發了閥門所需最大推力和反作用隔膜式執行機構出力的計算方法，并通過計算實例和診斷測試的數據加以驗證，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

美國多數核電站對氣動閥門實行專項管理，設置專門的組織機構，發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，二是根據不同的閥門類型開發不同的計算方法，主流的軟件有Teledyne公司開發的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，三門核電已發布了氣動閥專項管理大綱，對氣動閥進行分級管理，根據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，系統和閥門的狀況會隨著時間的推移發生變化，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據，有利于閥門的趨勢跟蹤，為閥門維修和參數的調整提供依據。

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系統層級審查

系統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的運行參數和運行工況，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據。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、工藝系統流程圖紙、安裝圖紙、相應泵的流量曲線以及應急運行規程等文件。

氣動閥功能審查需審查閥門的所有功能，包括聯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2種功能，其工況定義如下：

工況1：緊急工況下，在電廠發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閥門的最大壓差，對于事故情況下實現關閉功能的閥門，需要檢查閥門在事故情況下是否有效落座，隨著系統壓力的升高，閥門的背壓升高，易導致閥門開啟，無法實現關閉功能。通過以下步驟可以確定閥門所在的系統壓力：

（1）確定閥門所在系統的差壓和流向，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閥門流體的密度。

在多數情況下，閥門最大差壓通常發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、下游環境壓力

因此，可得系統壓差為：?；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

差壓。

2.2設備層級審查

設備層級審查用來確定氣動閥執行機構的輸出能力和閥桿要求的扭矩或推力值，系統層級審查中確定的系統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，根據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，DS是閥桿直徑。

閥門在關閉位置時，閥門所在系統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是閥門行業內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，才能保證閥門實現其安全功能。

（2）執行機構出力。執行機構出力的計算需要以下信息：彈簧系數、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，這些變量可以統一作為計算偏差來處理。執行機構出力的計算根據閥門動作方式的不同可分為直行程和角行程，根據執行機構的不同可以分為隔膜式和活塞式，每種執行機構的出力計算有較大差別。

直行程執行機構根據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行機構為例介紹計算方法，執行機構帶有彈簧，反作用直行程執行機構為下進氣，執行機構失氣時閥門處于關閉位置。因此，在閥門開啟時，執行機構需要提供較大出力，閥門關閉時，依靠執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，執行機構出力FAOP如下：

（3）

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

閥門在關閉位置時，執行機構出力FACL如下：

（4）

式中，Benchsetlower為執行機構彈簧預緊力低值；EDA為執行機構隔膜的有效面積；在計算執行機構出力時，執行機構隔膜的有效面積在執行機構動作過程中不是固定不變的，彈簧的彈性系數和減壓閥設定值也存在偏差，這些偏差統一由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，如執行機構的出力增大或閥桿所需的推力增大。由于執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，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行機構出力。該截止閥為反作用隔膜式直行程執行機構，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，彈簧彈性系數為2100 lbs/inch，彈簧預緊力為21.5 psi-32 psi，執行機構有效隔膜面積為320，執行機構最大進氣壓力為70 psi，閥門所在系統最大差壓為1091 psi。

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

根據公式（3）、公式（4）可得執行機構在開啟、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，閥門在關閉位置執行機構的推力為6386lbf使用公式計算的執行機構推力為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，可以獲得氣動閥執行機構的性能信息和裕量信息，作為閥門趨勢跟蹤的依據。開展氣動閥門的設計基礎審查工作，需要開發適用的計算方法或購買專用的軟件，目前，國內還未開展本領域工作。希望通過本文對閥門所需推力和執行機構出力的計算方法的研究，對國內其他在建的三代核電機組有參考意義。

參考文獻

[1]?；Air Operated Valve Maintenance Guide–Revision 2，?； EPRI，2008.

[2]?；劉夏城，等.AP1000三門項目氣動閥專用管理研究?；[A].核能行業閥門狀態管理經驗交流會[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。