第三代民用核電廠主蒸汽隔離閥在線檢測分析與研究

閆啟亞，趙　猛

第三代民用核電廠主蒸汽隔離閥在線檢測分析與研究

閆啟亞1，趙猛2

（1. 上海核工程研究設計院股份有限公司，上海，200000；2. 國核示范電站有限公司，山東 榮成，264300）

為保證我國第三代核電用主蒸汽隔離閥在正常、異常、危急和事故工況期間和之后不應喪失功能，本研究采用試驗方法，對主蒸汽隔離閥進行一定工況下的功能測試，通過不同工況下的測試結果，對照理論分析模式，為主蒸汽隔離閥在運行階段的在線檢測結果提供參考依據。研究結果表明，本試驗能夠準確地得出主蒸汽隔離閥在線檢測的結果，并能夠發現設計及制造過程中存在的潛在缺陷。因此，本研究可以作為我國三代核電廠用主蒸汽隔離閥在線檢測結果的參考依據。

核電；質量

在我國某第三代核電項目中，采用的主蒸汽隔離閥為公稱通徑DN1050，設計壓力8.2 MPa，設計溫度320 ℃。閥門的結構采用楔緊式平行雙閘板結構，其閘板組件為柔性連接結構，由兩塊楔形件、兩塊閘板組成。中腔密封采用自緊密封結構，支架采用圓筒形結構，并通過夾環與閥體連接；驅動裝置采用氣/液驅動裝置。

為驗證閥門組件能實施預期功能并收集基準數據，本研究對閥門進行了三個序列的試驗，每個試驗序列期間，閥門組件進行4次循環動作試驗，以保證正確功能的同時，確保試驗數據的有效性。

1　主蒸汽隔離閥試驗序列及檢測設置

1.1　主蒸汽隔離閥試驗序列

1.1.1室溫空載動作試驗

常溫下，旁通閥關閉，主閥空載不帶壓，閥門處于完全開啟狀態。第一次，用驅動裝置A通道快速關閉閥門，再緩慢開啟閥門；第二次，用驅動裝置B通道快速關閉閥門，再緩慢開啟閥門；第三次，用驅動裝置AB通道快速關閉閥門，再緩慢開啟閥門；第四次，緩慢關閉閥門（使用驅動裝置A通道），再緩慢開啟閥門。

1.1.2室溫最大壓差動作試驗

常溫下，旁通閥關閉，閥門處于完全開啟狀態，緩慢加壓至試驗壓力8.2 MPa。第一次，用驅動裝置A通道快速關閉閥門，隨后出口端卸壓，保持進口端壓力為8.2 MPa，再緩慢開啟閥門；第二次，用驅動裝置B通道快速關閉閥門，隨后出口端卸壓，保持進口端壓力為8.2 MPa，再緩慢開啟閥門；第三次，用驅動裝置AB通道快速關閉閥門，隨后出口端卸壓，保持進口端壓力為8.2 MPa，再緩慢開啟閥門；第四次，緩慢關閉閥門（使用驅動裝置B通道），隨后出口端卸壓，保持進口端壓力為8.2 MPa，再緩慢開啟閥門。

1.1.3室溫設計壓力動作試驗

常溫下，旁通閥關閉，閥門處于完全開啟狀態，緩慢加壓至試驗壓力8.2 MPa。第一次，用驅動裝置A通道快速關閉閥門，再緩慢開啟閥門；第二次，用驅動裝置B通道快速關閉閥門，再緩慢開啟閥門；第三次，用驅動裝置AB通道快速關閉閥門，再緩慢開啟閥門；第四次，緩慢關閉閥門（使用驅動裝置AB通道），再緩慢開啟閥門。

1.2　主蒸汽隔離閥試驗檢測設置

為驗證閥門組件能夠實現預期功能，并收集基準數據，在上述三個試驗序列中，需獲得以下試驗數據：

序列A：閥門關閉及開啟過程中全行程動作期間的推力；

序列B：閥門開啟及關閉時間；

序列C：閥門關閉及開啟行程。

為獲取以上試驗序列的試驗數據，本研究在閥門閥桿上部，貼應變片用作推力測量，安裝行程傳感器用作行程測量。

同時為確保本研究獲得的相關數據精確，對于閥門的開啟及關閉時間，本研究不以控制柜讀取的閥門位置指示器的時間為準。而是使用電流鉗，檢測控制柜啟動電流信號為閥門動作初始時間，行程傳感器到位信號為閥門到位信號。采用本研究的時間測量方法能夠更加精準地獲得閥門的實際性能參數。且本研究在最終數據對比中，發現采用位置指示器獲取的時間誤差在1%～10%。

2　主蒸汽隔離閥試驗結果分析

2.1　空載工況下閥門試驗結果

2.1.1空載工況下閥門關閉推力曲線分析

如圖1所示，閥門的關閉過程主要分為四個階段，第一階段為A點到B點曲線，此時閥門驅動機構未接到閥門關閉信號，活塞處于原始位置，閥桿承受驅動裝置帶來的向上拉力，以形成閥門上密封邊界。第二階段為B點到C點曲線，閥門在a線時刻接收到啟動信號，驅動裝置活塞運動，帶動閥桿開始受力，閥桿上密封處與閥蓋上密封處脫離，此時閥桿受力狀態的變化為從承受驅動裝置向上的拉力變為主要承受閥桿自身與閘板及閘板架重力、閥桿與填料的摩擦力、驅動裝置向下的推力。第三階段為C點到D點曲線，此時閘板平穩下落，從閥桿推力曲線中可以看到，此階段的閥桿受力為閥桿自身與閘板及閘板架重力、閥桿與填料的摩擦力、驅動裝置的推力，推力曲線較平穩。第四階段為D點到E點曲線，此時閘板開始與閥座接觸，閥桿受力在第三階段受力情況下增加了閥座與閘板之間的摩擦，且隨著閘板的下落，閘板與閥座之間更加緊密地貼合，摩擦力增大直到閥門關閉完成，閥桿受力達到最大并穩定。

圖1　閥門空載工況下閥門關閉閥桿推力曲線

2.1.2空載工況下閥門開啟推力曲線分析

如圖2所示，空載工況下閥門的開啟過程主要分為三個階段，第一階段為A點到B點曲線，此時閥門驅動機構接到閥門開啟信號，驅動裝置活塞開始向上運動，閥桿承受驅動裝置帶來的向上的拉力，并帶動閘板及閘板架向上運動，此時閥桿因克服閘板與閥座摩擦力、閘板及閘板架重力、填料摩擦力及部件靜止到運動的慣性等，推力達到最大值。第二階段為C點到D點曲線，此時閘板平穩上升，從閥桿推力曲線中可以看到，此階段的閥桿受力主要為閥桿自身與閘板及閘板架重力、閥桿與填料的摩擦力、驅動裝置的拉力，推力曲線較平穩。第三階段為D點到E點曲線，此時閥桿上密封面開始與閥蓋上密封面接觸，閥桿受力在第二階段受力情況下增加了兩者上密封面的密封力，且隨著閥桿的持續上升，閥桿與閥蓋上密之間更加緊密地貼合，結合力增大直到閥門開啟完成，閥門上密封壓力邊界形成，閥桿受力達到最大并穩定。

圖2　閥門空載工況下閥門開啟閥桿推力曲線

2.1.3空載工況下閥門試驗結果結論

通過對上述曲線的分析，同時對多次試驗數據進行對比分析，閥門在空載條件下，閥門的開啟時間（設計要求≤900 s）、關閉時間（設計要求快關2～5 s，慢關≤300 s）、閥門行程［設計要求（818±10）mm］等試驗結果，與圖紙設計預期基本一致，且各次試驗所得數據之間誤差均較小，可認為試驗是符合設計預期的（見表1）。

表1　閥門空載工況下動作數據

2.2　最大壓差工況下閥門試驗結果

2.2.1最大壓差工況下閥門關閉推力曲線分析

最大壓差工況下的閥門關閉推力曲線與空載工況趨勢一致。由于此時閥門內部帶壓，因此測定的閥桿推力值較空載工況下要大（見表2）。

表2　閥門關閉時閥桿推力對比

2.2.2最大壓差工況下閥門開啟推力曲線分析

如圖3所示，最大壓差工況閥門的開啟過程可以分為四個階段，第一階段為A點到B點曲線，此時閥門驅動機構接到閥門開啟信號，驅動裝置活塞開始向上運動，閥桿承受驅動裝置帶來的向上的拉力，并帶動閘板及閘板架向上運動，此時閥桿因克服閘板與閥座摩擦力、閘板及閘板架重力、填料摩擦力及部件靜止到運動的慣性等，推力達到最大值；第二階段為B點到F點曲線，閥桿帶動閘板及閘板架開始上升到閘板完全脫離閥座的過程，因壓差工況下閥門進口端單側受壓，在閘板開始運動后，進口端的壓力邊界消失，閥門內部介質進入中腔，從而在出口側，將閘板與閥座緊密貼合形成閥門新的壓力邊界。在此階段，閥桿除承受填料與閥桿的摩擦力及提升部件的重力外，還包括閘板與閥座之間的摩擦力，在推力曲線的C點至F點位，即為出口端閘板與閥座進行摩擦，從而導致推力曲線的劇烈波動。第三階段為F點到G點曲線，此時，出口端閘板提升高度超過閥座密封面，閥門壓力邊界失效，閥門內部壓力釋放并平衡，閘板隨之與閥座完全脫離，閥桿推力曲線快速下降。第四階段為G點到H點曲線，此時閥門完全開啟，閥桿僅承受填料與閥桿的摩擦力及提升部件的重力，受力平穩。第五階段為H點到I點曲線，此時閥桿上密封處開始與閥閥蓋上密封處接觸，閥桿受力在第四階段受力情況下增加了閥桿與閥蓋的密封力，隨著密封處的緊密貼合，閥門開啟完成，閥桿受力達到最大并穩定。

2.2.3最大壓差工況下閥門試驗結果分析

通過對最大壓差試驗推力曲線趨勢及試驗數據的分析，閥門在開啟和關閉過程中的閥桿推力曲線趨勢均一致且平穩有序（見圖4），閥桿推力在各次試驗中變化趨勢也是一致的（見表3），閥門的行程坐標點B（閘板初始啟動位置）、C（閘板運動初始位置）、F（閥門單側壓力完成釋放點）、G（閘板自由運動初始位置）變化微小，最大誤差均不超過2 mm（包含曲線選點誤差及行程傳感器誤差）；根據以上數據及推力曲線圖的分析，可以得到閥門在最大壓差工況下，閥門的開啟時間、關閉時間、閥門行程等試驗結果，與圖紙設計預期基本一致，且各次試驗所得數據之間誤差均較小，是符合設計預期的。

圖3　閥門最大壓差工況下閥門開啟閥桿推力曲線

圖4　閥門最大壓差工況下閥門開啟閥桿推力曲線趨勢圖

表3　閥門最大壓差工況下閥門開啟閥桿推力及行程表

2.3　設計壓力工況下閥門試驗結果分析

2.3.1設計壓力工況下閥門關閉推力曲線分析

設計壓力工況下的閥門關閉推力曲線與空載工況、最大壓差工況趨勢一致。本文對此不再詳述。

2.3.2設計壓力工況下閥門開啟推力曲線分析

如圖5所示，設計壓力工況閥門的開啟過程可以分為五個階段，第一階段與壓差工況基本一致，推力曲線圖中位置為A點到B點；第二階段為C點到F點曲線，閥桿帶動閘板及閘板架開始上升到閘板完全脫離閥座的過程，此階段的閥桿受力包括填料與閥桿的摩擦力及提升部件的重力，同時，因設計工況關閉閥門時，閥門整體帶壓，閘板的快速關閉，會導致閥門中腔壓力升高，存在一定的壓差，且不同的關閉方式，也會造成閥門內腔壓力的不同。因此在閥門開啟時，閥門的入口側、中腔、出口側壓力在閥門開啟過程中，會逐漸消除壓差，從而導致閥桿推力出現波動，如圖5中的D、E點位；第三階段為F點到G點曲線，此階段為閥桿帶動閘板提升，閘板與閥座逐漸脫開，此時，閥門進口側、中腔、出口側均已聯通，閥門內腔壓力達到均衡，閘板與閥座不再緊密貼合，閥桿不再承受閘板與閥座的摩擦力，推力曲線快速下降；第四、五階段均與壓差工況基本一致。

2.3.3設計壓力工況下閥門試驗結果分析

通過對設計壓力工況下試驗推力曲線趨勢的分析，閥門在開啟和關閉過程中的閥桿推力曲線趨勢均一致且平穩有序（見圖6），閥桿推力在各次試驗中變化趨勢也是一致的（見表4），閥門的行程坐標點B（閘板初始啟動位置）、C（閘板運動初始位置）、F（閥門內腔壓力均衡）、G（閘板自由運動初始位置）變化微小，最大誤差均不超過2 mm（包含曲線選點誤差及行程傳感器誤差）；根據以上數據及推力曲線分析，閥門在設計壓力工況下，閥門的開啟時間、關閉時間、閥門行程等試驗結果，與圖紙設計預期基本一致，且各次試驗所得數據之間誤差均較小，是符合設計預期的。

圖5　閥門設計壓力工況下閥門開啟閥桿推力曲線

圖6　閥門設計壓力工況下閥門開啟閥桿推力曲線趨勢圖

表4　閥門設計壓力工況下閥門開啟閥桿推力及行程表

2.4　試驗異常曲線的分析及處理

如圖7所示，在多次關閉并開啟閥門后，閥桿推力曲線在G到I段出現明顯的波峰，并在推力波峰處可聽到閥門發出金屬撞擊聲。此波峰因與之前試驗獲取曲線存在明顯差異，故認為閥門內部存在異常。隨后拆解閥門后確認，閥體導軌筋根部圓角處及導軌筋有剮蹭現象，剮蹭部位的位置及長度與推力曲線異常處位置及長度基本一致。

圖7　異常曲線

本次曲線異常為在空載工況下、最大壓差工況下、設計壓力工況下多次關閉并開啟閥門后，在此之前，閥門已進行多次關閉與開始試驗，且在閥門裝配階段，均未發現閥門內件存在干涉的情況，因此推斷，本次內件的干涉為閥門在多次開啟、關閉動作后，閘板組件的變形或位移導致的，從上述多次試驗得出的數據分析可以得到，雖然每個工況下閥門行程變化量很小，但將所有試驗行程變化統計分析后可以得出，閥門行程在逐漸變大。

閥門拆解后在對閥門內件進行檢查時，同時發現閘板背面有壓痕、閘板架和下楔塊的楔面有擦傷，閘板架實物楔面下側與方身段薄壁發現有少許變形。因此推斷，此次閘板與閥體內壁干涉的主要在于兩個方面：

（1）閥體導軌筋根部圓角鑄件尺寸問題，由于此處鑄件尺寸在實際生產中不承擔閥門的功能性作用，因此廠家對其的質量控制較為松懈，尺寸保證未能嚴格按照圖紙進行控制，且在閥門裝配過程時，未與閥內件干涉，故而未能在試驗前發現。

（2）由于驅動裝置的出力較大，造成閥內件出現不同程度的變形，體現為閥門行程不斷變大。這兩方面的原因疊加，造成在閥門動作試驗進行十余次后，閥內件與閥體導軌筋根部圓角處出現干涉，造成閥桿推力曲線出現異常。

3 結論和建議

通過上述分析結果可以表明，本研究可以有效驗證主蒸汽隔離閥的在線檢測試驗結果是否與設計預期一致，也能夠提前對閥門在運行過程中可能產生的隱患進行發現和排除。

我國現有的部分三代核電的主蒸汽隔離閥國產化項目中，尚未對閥門在制造廠進行在線檢測進行要求，只是簡單對閥門的關閉、開啟時間和密封性進行了規定，因此，本研究可以對這類電站在運行過程中，對主蒸汽隔離閥的在線檢測結果評判提供參考。

通過本研究也可以明確得知，主蒸汽隔離閥在出廠性能測試過程中，增加閥門在關閉和開啟全行程動作期間的閥桿推力檢測，能夠有效的檢測閥門在開關過程中可能存在的各種隱患。

建議我國主蒸汽隔離閥的設計及制造單位，應提前考慮閥門在實際試驗及后續運行過程中存在的部件變形等因素，通過本文的分析可以得知，閥門在檢測試驗前期，各部件運行正常無干涉現象，但閥門隨著試驗的進行，各部件之間經過不斷擠壓碰撞而變形，最后導致閘板與閥體內壁產生干涉，將閥體內壁切削下部分金屬。因此，相關設計及制造廠家應加強對于主蒸汽隔離閥部件的質量控制，尤其是閥體等大型鑄件中的圓角過渡區域。

［1］ 美國機械工程師協會. ASME—2004:鍋爐及壓力容器規范［S］. 上海：上海科學技術文獻出版社，2007.

［2］ 美國機械工程師協會. ASME BPVC-Ⅲ：核設施部件建造規則（第1冊）NC 分卷［S］. 上海：上海科學技術文獻出版社，2007.

Analysis and Study on the On-line Detection of the Main Steam Isolation Valve in the Third Generation Civil Nuclear Power Plant

YAN Qiya1，ZHAO Meng2

（1. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.Ltd, Shanghai 200000，China；2. State Nuclear Power Demonstration PlantCo.Ltd，Rongchneg of Shandong Prov. 264300，China.）

In order to ensure that the main steam isolation valve for the third generation nuclear power in China should not lose its function during and after normal, abnormal, critical and accident conditions, this study uses the test method to test the function of the main steam isolation valve under certain conditions. Through the test results under different conditions and compared with the theoretical analysis mode, it provides a reference basis for the on-line detection results of the main steam isolation valve in the operation stage. The study findings show that this test can accurately obtain the on-line detection results of the main steam isolation valve, and can find the potential defects in the design and manufacturing process. Therefore, this study can be used as a reference for the on-line detection results of main steam isolation valves for the third generation nuclear power plants in China.

Nuclear power; Quality

TL334

A

0258-0918（2023）03-0587-08

2021-11-29

閆啟亞（1987—），男，河南商丘人，學士，現主要從事國內核電閥門質量監督相關研究