鈉冷快堆大口徑鈉閘閥的可靠性分析

呂明宇 劉 平 余華金

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中核蘇閥科技實業股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

1 閥門可靠性分析的意義

所謂“可靠性”是指產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。

可靠性是構成閥門質量的因素之一，閥門的可靠性在航空、軍工、核電等領域顯得更為重要，其水平高低對系統的安全性能和維修成本的影響尤為突出。從安全方面來看，很多核電事故的起因都是由某個小小的閥門故障，最終發展擴大，導致嚴重的后果。從經濟方面來看，核電閥門也對核電站的建造和運維成本影響重大。所以，開展閥門的可靠性研究，分析閥門的故障類型和成因，計算并獲得閥門的無故障工作概率，有助于整個核電系統安全性能的提高和成本節約。

2 閥門設計階段的可靠性評估

在設計階段對系統或設備進行可靠性評價一般采用故障樹分析法，故障樹分析法是以故障樹作為模型對設備進行可靠性分析的一種方法，是設備安全分析方法中應用最廣泛的一種自上而下逐層展開的圖形演繹的分析方法。在設備設計過程中，通過對可能造成設備失效的各種因素進行分析，畫出邏輯圖（故障樹），從而確定設備失效原因的各種可能組合方式或其發生概率，計算的設備失效概率，采取相應的糾正措施，以提高設備可靠性的一種設計分析方法。

3 大口徑鈉閘閥的故障模式分析

世界各國對閥門的故障模式和原因進行過廣泛的研究，其中，美國西雅圖的Milmanco 公司的研究成果最具代表性[1]，他們把閥門失效的模式和原因歸結為以下5 種。

3.1 卡滯

失效原因有3 種。1）由于應力蠕變造成的導桿/閥門體變形、閥桿彎曲變形、填料壓得過多、過緊等物理原因，使閥桿活動受阻。2）由于污染、腐蝕等化學原因造成閥門導桿與導向件之間摩擦力過大，使閥桿活動受阻。

3.2 滲漏

失效原因有3 種。1）密封接觸面被腐蝕、磨損、有劃痕或有污染物，造成不密合。2）彈簧或緊固件發生蠕變，造成關閉力不足。3）密封件未壓緊或造成損傷，如劃痕、老化變形及腐蝕變質等。4）螺栓松緊程度不一，使閥體與閥蓋壓合不緊。5）緊固件松動，造成密封接觸面接觸力不足。6）閥門關閉時，由于活動零件變形或間隙中有雜物引起閥瓣與閥座接觸偏離。

3.3 振動及噪聲

失效原因如下。1）介質流動過程中使管道、閥門固定基座劇烈振動，也會使閥門隨之振動。2）因閥體內部腔室線型設計不良，介質流動性能不穩定發生振動。3）閥門的頻率與系統頻率接近，引起共振。4）閥門的過渡節流導致介質流動產生漩渦與閥門相互作用。

3.4 閥門工作壓力波動

失效原因有3 種。1）導致閥門接觸不良。2）閥芯有毛刺或變形，運動不靈活。3）出現共振。

3.5 閥體破裂

失效原因有3 種。1）材質不好，內部有砂眼、氣孔，或者在鑄造時產生偏心，使局部強度降低。2）閥門被碰撞產生細小裂紋，繼續使用后裂紋擴展。3）閥門用強力安裝，因受力不均造成破裂。4）外部環境的振動使閥門出現裂紋。

上述5 大類失效原因是所有類型閥門都可能出現的故障模式，只不過針對不同類型、不同結構、不同用途和不同工況的閥門，失效原因的側重點不同。大口徑鈉閘閥作為閉鎖機構設置在蒸汽發生器前后，當蒸汽發生器模塊失密封，發生鈉水反應時，迅速關閉，保護二回路和蒸汽發生器的安全。它的工況特點是工作溫度高，工作壓力較大，承受高溫鈉介質的侵蝕，使用環境惡劣，所以，基于以上特點，大口徑鈉閘閥的主要失效模式應為卡滯、泄漏和閥體破裂。

4 大口徑鈉閘閥的可靠性分析

根據大口徑鈉閘閥的失效模式和性能要求，其整體的可靠性計算模型符合串聯模型，即其無故障工作概率為，其中，Ps為大口徑鈉閘閥整體可靠性，Ri為某一部件的可靠性。

大口徑鈉閘閥的主要功能部件包括殼體組件、靜密封組件、動密封組件、行程組件、支架組件和驅動裝置等。根據串聯模型的可靠性計算公式[2]，為了獲得整體樣機的可靠性數據，需要首先獲得各部件的可靠性數據。

4.1 殼體組件的可靠性分析

大口徑鈉閘閥殼體組件的可靠性分析有5 個方面。1）殼體組件的組成包括閥體和閥蓋，閥體與閥蓋都是鍛焊結構，在工作狀態下承受系統內介質鈉的壓力，在事故工況下即要承受高溫介質鈉的壓力，還要承受鈉水反應中急劇的壓力升。2）殼體組件的公稱壓力為300 lb，強度試驗壓力為7.6 MPa。3）殼體主要部件材料為F316，其物理特性值滿足承受壓力的需求。4）閥體與閥蓋之間采用螺栓加舌沿焊結構。5）通過分析和梳理殼體組件的故障模式，建立殼體組件的FTA，如圖1 所示。

圖1 殼體組件的FTA

根據FTA 分析可知，殼體組件不可靠性Q1為：

經統計，大口徑鈉閘閥制造單位本年度一季度的機加一次廢品率為3.44%，裝配一次失誤率為4.74%，檢驗失誤參考人失誤模型（田口模型），取檢驗失誤值為1%。代入得殼體組件不可靠性Q1為0.002952。

所以，R1=1-Q1=0.977

可靠性值趨近于1，可靠性高。

4.2 靜密封、動密封、行程、支架組件的可靠性分析

其他鈉閘閥組件（驅動裝置除外）的可靠性分析類似于殼體組件，各功能部件的可靠性分析結果見表1。

表1 鈉閘閥主要功能組件（驅動裝置除外）的可靠性數據

4.3 驅動裝置的可靠性分析

電動驅動裝置是電動閥門的動力源，通常作為外購件整體采購，所以在進行電動驅動裝置可靠性分析時，也把驅動裝置作為一個整體部件單一考慮，不再對其進行拆分，分析各零件的故障模式，查ASNI/IEEE std 500 可知，電動驅動裝置的無故障工作時間（MTBF）為1.73×106h，電動驅動裝置的故障率為。

電動驅動裝置無故障工作概率P（t）按下式計算：

式中：λi—第i 個構件的故障率；TT—構件的質保期；Ni—第i 類型構件的數目；n—構件的類型數。

大口徑鈉閘閥采購的是AUMA 的核級電裝，其質保期為10 年。將上述各參數代入式（1），可得無故障工作概率為0.9506。

4.4 整機的可靠性分析

將各官能部件的可靠性數據代入串聯模型公式。

由計算結果可看出，采用現有設計方案，大口徑鈉閘閥整機在全壽期內的無故障工作概率為92.16%。具有很高的可靠性。

5 結論

通過故障樹分析方法對大口徑鈉閘閥進行可靠性分析，可得閥門整機在全壽期內的無故障工作概率為92.16%。具有很高的可靠性。