核電站MSIV執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

楊理烽

高瑞發(fā)中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

0 引言

中國(guó)核電的發(fā)展從秦山三十萬(wàn)千瓦壓水堆，再到嶺澳、方家山福清核電工程等六十萬(wàn)、百萬(wàn)千瓦機(jī)組，已經(jīng)吸收消化掌握了國(guó)外核電的設(shè)計(jì)技術(shù)，并且已經(jīng)打造出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電品牌。但是，對(duì)于核電設(shè)備，仍有大量的閥門類設(shè)備至今依賴于國(guó)外進(jìn)口，而且已經(jīng)制約到中國(guó)核電走向國(guó)際市場(chǎng)。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(jī)構(gòu)仍未能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這其中有眾多的制約因素，如投資、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)等，這些因素缺一不可。以下主要介紹該閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)氮?dú)夂鸵簤簤毫Φ挠?jì)算以及鑒定試驗(yàn)要求。

1 MSIV 及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)概況

主蒸汽隔離閥是目前國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站和AP1000 等三代百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站主蒸汽管道系統(tǒng)中的一臺(tái)關(guān)鍵閥門，其具有尺寸大，閥門設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度高，設(shè)計(jì)流量高以及關(guān)閉時(shí)間要求短等主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)，由于主蒸汽隔離閥尺寸大，且關(guān)閉時(shí)間要求苛刻，如果直接采用電動(dòng)或者氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)于此規(guī)格的閥門是難以實(shí)現(xiàn)其快速關(guān)閉的要求的，而且快速關(guān)閉通常會(huì)對(duì)閥座產(chǎn)生較大的沖擊力，縮短其使用壽命?？v觀國(guó)際上該閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品，基本都是氣液聯(lián)動(dòng)型式。

典型的主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)采用氣液聯(lián)動(dòng)形式，因此要完成閥門動(dòng)作，確定汽缸中的氣體壓力以及液壓是關(guān)鍵之一，同時(shí)產(chǎn)品如何進(jìn)行鑒定也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵步驟。

2 氮?dú)夂鸵簤河蛪毫Φ拇_定

對(duì)于氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(shí)，液壓油被完全排出，此時(shí)氮?dú)鈮毫εc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?dú)馑匦璧淖钚毫Α．?dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，以閥瓣為受力對(duì)象，見(jiàn)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(shí)閥座密封面對(duì)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(shí)密封面摩擦力；

fm—閥門關(guān)閉時(shí)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(shí)閥桿受力平衡方程為：

其中：FG為閥門關(guān)閉時(shí)閥桿所受的總推力；

FF為閥瓣對(duì)閥桿的反作用力（即閥瓣受力F）；

FJ為介質(zhì)對(duì)閥桿的推力；

FT為填料密封對(duì)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(shí)閥桿所受的總推力即為閥門關(guān)閉時(shí)的氮?dú)庾饔昧?，因此需要達(dá)到要求的關(guān)閉力的氮?dú)庾钚鈮篜minc 為：

其中：A 為活塞上部（氮?dú)鈧?cè)）面積

閥門在動(dòng)作過(guò)程中，將氣缸內(nèi)的氮?dú)庖暈槎剡^(guò)程，設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于閥門關(guān)閉時(shí)，氮?dú)鈮毫?Pminc，由定熵過(guò)程氣體狀態(tài)方程可得閥門打開(kāi)時(shí)要求的氮?dú)鈮毫椋?/p>

其中：

VO為閥門處于開(kāi)啟位置時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氮?dú)怏w積

VC為閥門處于關(guān)閉位置時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氮?dú)怏w積

k 為等熵系數(shù)

由于環(huán)境影響，實(shí)際閥門所處的溫度有一個(gè)變化范圍，因此，在確定氮?dú)鈮毫r(shí)還需要考慮環(huán)境溫度。

假設(shè)在最低環(huán)境溫度下打開(kāi)閥門，此時(shí)氮?dú)鈮毫镻ominT，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(shí)，閥門能夠關(guān)閉，閥門關(guān)閉時(shí)氮?dú)庾钚毫椋?/p>

而當(dāng)?shù)獨(dú)馓幱谧罡攮h(huán)境溫度下時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中氮?dú)鈮毫Γㄩy門開(kāi)啟時(shí)）為：

因此執(zhí)行機(jī)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?dú)鈮毫?/p>

而如果將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過(guò)程視為定溫過(guò)程，那么根據(jù)過(guò)程方程式，在最低環(huán)境溫度下，氮?dú)鈮毫椋?/p>

在最高環(huán)境溫度下，氮?dú)鈮毫椋?/p>

綜上，依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)氣體不同的熱力過(guò)程以及環(huán)境溫度的影響，最后氮?dú)鈮毫Φ拇_定可依據(jù)上述方程選取。

而對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)中液壓力的確定，可根據(jù)閥門動(dòng)作時(shí)啟閉力比值η，來(lái)確定閥門開(kāi)啟時(shí)所需的最小液壓力：

用于保持閥門開(kāi)啟的最小液壓為：

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)鑒定試驗(yàn)要求

為了確認(rèn)在預(yù)期的使用工況條件下，包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故以及在役檢查和試驗(yàn)工況下設(shè)備具有足夠的功能，按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于核電站中安全相關(guān)的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)按照IEEE 382 的要求進(jìn)行鑒定。而國(guó)內(nèi)的NB 標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)壓水堆核電廠閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鑒定試驗(yàn)要求進(jìn)行了規(guī)定。因此，主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)國(guó)產(chǎn)化時(shí)如何進(jìn)行鑒定試驗(yàn)將成為一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作。

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

我們對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了對(duì)比，其中，熱老化試驗(yàn)、加壓循環(huán)試驗(yàn)、地震模擬試驗(yàn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境試驗(yàn)的要求相同，而不同的試驗(yàn)內(nèi)容包括：

1）正常輻照老化試驗(yàn)

IEEE 382 標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)不同鑒定等級(jí)的設(shè)備區(qū)別對(duì)待，標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。該試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，首先執(zhí)行機(jī)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(jī)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(jì)要求為20kGy（40 年），未規(guī)定劑量率。而我國(guó)的NB 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定K1、K2 類執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，伽馬累計(jì)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(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。

2）振動(dòng)老化試驗(yàn)

IEEE 382 標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)時(shí)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)歷三個(gè)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(guó)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(jì)基準(zhǔn)事故輻照試驗(yàn)

IEEE 382 規(guī)定對(duì)于設(shè)置在壓水堆安全殼外經(jīng)受蒸汽影響的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求進(jìn)行該試驗(yàn)，該試驗(yàn)可與正常輻照老化試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行，但應(yīng)在抗震試驗(yàn)之前進(jìn)行。在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，其輻照劑量要求均與正常輻照老化試驗(yàn)時(shí)的要求相同，而我國(guó)的NB 標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定K1、K2 類執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行該試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)伽馬累計(jì)輻照量為600kGy，遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)時(shí)也需要明確是否需要進(jìn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故輻照試驗(yàn)，而由于其與正常輻照老化試驗(yàn)可結(jié)合進(jìn)行，因此存在三種不同的累計(jì)輻照劑量標(biāo)準(zhǔn)。

4）機(jī)械磨損老化試驗(yàn)

NB 標(biāo)準(zhǔn)中要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)在加載情況下完成2000 次的循環(huán)操作運(yùn)行，而IEEE 382 中無(wú)該項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容。

5）壽命試驗(yàn)

NB 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)定了壽命試驗(yàn)，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)在額定載荷下進(jìn)行10000 次帶載循環(huán)操作，試驗(yàn)后測(cè)量相應(yīng)的行程和推力值，并且試驗(yàn)樣機(jī)不能進(jìn)行老化、抗震和事故模擬試驗(yàn)。而IEEE 382 中也無(wú)該項(xiàng)試驗(yàn)。

綜上，對(duì)于研制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鑒定試驗(yàn)，兩類標(biāo)準(zhǔn)的主要差異體現(xiàn)在輻照試驗(yàn)和動(dòng)作壽命試驗(yàn)。對(duì)于閥門及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，其動(dòng)作次數(shù)是一個(gè)重要的考核指標(biāo)，所以在鑒定試驗(yàn)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(dòng)作壽命試驗(yàn)和其他鑒定試驗(yàn)的要求，意味著需要制造兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)，而對(duì)于主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，這一要求可操作性不強(qiáng)。

因此，結(jié)合三代壓水堆核電站主蒸汽隔離閥的正常運(yùn)行工況和定期試驗(yàn)工況，其壽期內(nèi)動(dòng)作次數(shù)大致在3000 次左右，所以建議在執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行鑒定試驗(yàn)時(shí)除滿足IEEE 382 的試驗(yàn)項(xiàng)目以外，增加NB 標(biāo)準(zhǔn)中的機(jī)械磨損老化試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)以主蒸汽隔離閥壽期內(nèi)實(shí)際動(dòng)作次數(shù)為依據(jù)而確定，以保證較好的經(jīng)濟(jì)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣壓和液壓的計(jì)算方法，同時(shí)就執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同鑒定標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)比并給出建議的鑒定試驗(yàn)要求，供設(shè)計(jì)人員參考，為主蒸汽隔離閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的國(guó)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(jì)手冊(cè)，機(jī)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(lè)秀輝，朱樂(lè)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(dòng)裝置原子能出版社，2010，10.