浅谈核电站气动阀的设计基础审查

摘要：文章介绍了核电站气动阀门专项管理的实施，着重分析了气动阀门设计基础审查的流程，开发了阀门所需最大推力和反作用隔膜式执行机构出力的计算方法，并通过计算实例和诊断测试的数据加以验证，表明了计算方法的可用性。

关键词：气动阀；设计基础审查；执行机构出力

中图分类号：TM623 ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ；文章编号：1009-2374（2014）18-0127-03

1 ；概述

美国多数核电站对气动阀门实行专项管理，设置专门的组织机构，发布专用的程序以支持气动阀专项管理的实施。气动阀专项管理包括范围和分级、设计基础审查、设定值控制、预防性维修要求、试验要求和趋势跟踪等。在美国电站中，设计基础审查有两种方式，一是使用专用的软件，二是根据不同的阀门类型开发不同的计算方法，主流的软件有Teledyne公司开发的ACE软件和KVAP软件。

三门核电一期工程引进美国西屋三代核电技术，在三门核电一期工程1#机组中共有气动阀700余台，其中，核级阀门共67台。目前，三门核电已发布了气动阀专项管理大纲，对气动阀进行分级管理，根据不同的分级结果对阀门采取不同的管理策略，以下主要介绍气动阀的设计基础审查。

2设计基础审查

图1

在机组投运后，系统和阀门的状况会随着时间的推移发生变化，偏离最初的设计和选型要求，如阀门的填料会随着时间老化，填料摩擦力的增大会从多方面影响阀门的性能。通过设计基础审查，可以记录阀门的原始数据，有利于阀门的趋势跟踪，为阀门维修和参数的调整提供依据。

设计基础审查是通过计算或运行实践评估气动阀门所在系统的设计基础工况下（最差工况）的运行性，设计基础审查的目的在于确定气动阀的输出能力及裕量，设计基础审查包括系统层级审查和设备层级审查。

设计基础审查的基本流程如图1所示。

2.1系统层级审查

系统层级审查用来确定气动阀的功能，通过审查气动阀所在系统的运行参数和运行工况，确定阀门的最差运行工况，所得结果作为设备层级审查的输入数据。需要审查的资料包括电厂的最终安全分析报告、电站运行程序、设计基础文件、工艺系统流程图纸、安装图纸、相应泵的流量曲线以及应急运行规程等文件。

气动阀功能审查需审查阀门的所有功能，包括联锁和相关控制等功能，具体需要审查的信息有：阀门类型（闸阀、蝶阀、截止阀等）、执行机构类型、设备名称及编码、阀门正常位置、阀门失效位置、阀门尺寸、阀门设计压力及温度等。阀门的各种功能均定义为一种工况，如某常开阀门实现2种功能，其工况定义如下：

工况1：紧急工况下，在电厂发出安全壳隔离信号后阀门关闭，以维持安全壳功能。

工况2：正常运行工况下，阀门保持一定开度，维持系统运行。

阀门各种功能都应审查并记录，记录的信息包括阀门行程方向、正常运行工况、设计工况、基准事故工况以及上下游压力基准值。

气动阀每种工况下的功能审查，需要确定其上下游压力以便于确定气动阀在开关过程中流经阀门的最大压差，对于事故情况下实现关闭功能的阀门，需要检查阀门在事故情况下是否有效落座，随着系统压力的升高，阀门的背压升高，易导致阀门开启，无法实现关闭功能。通过以下步骤可以确定阀门所在的系统压力：

（1）确定阀门所在系统的差压和流向，对于截止阀来说，是低进高出或高进低出。

（2）确定气动阀位置信息，由于高度差异，上下游压力需要调整，若管道中流经的是蒸汽或气体，高度差引起的压差可以忽略。

（3）确定流体的类型、最小和最大温度以及流经阀门流体的密度。

在多数情况下，阀门最大差压通常发生在阀门全开或全开的位置，此时，流量接近于0，忽略管线损失。

因此，上、下游压力如下：

Pup=PP+PeleU+PsurfU

Pdn=PeleD+PsurfD

其中：

PP—上游泵的压头

PeleU、PeleD—上、下游静压

PsurfU、PsurfD—上、下游环境压力

因此，可得系统压差为：∆；p=Pup-Pdn

在美国西屋公司提供的部分气动阀设计文件中，已提供了阀门各个运行工况下阀门所在的系统差压，因此，查阅设计文件就可以得到阀门最差工况下的系统

差压。

2.2设备层级审查

设备层级审查用来确定气动阀执行机构的输出能力和阀杆要求的扭矩或推力值，系统层级审查中确定的系统最大压差作为设备层级审查的输入，用来计算最差工况下气动阀开关过程中要求的阀杆推力或扭矩，设备层级审查还可以评估阀门、执行机构和其他仪表附件的设定值，如减压阀输出压力。

设备层级审查分为以下3个步骤：

计算阀门所需的最大推力或扭矩；核算执行机构出力；计算气动阀的裕量。

（1）阀门所需的最大推力和扭矩。下面以截止阀为例，介绍阀门所需推力的计算。图2是不平衡式截止阀关闭时的受力情况，阀门介质流向为低进高出。

在计算阀门所需推力时，忽略阀芯和阀杆的重力，因此，阀门开启、关闭位置时所需的推力如下：

（1）

（2）

其中：

FP—填料摩擦力，在阀门打开、关闭时均存在

FDP—流体压差施加在阀芯上的力，阀门开启时为0

FSL—阀座密封力，即阀座泄漏率等级所需的密封力，阀门关闭时存在

对于填料摩擦力FP，大多数厂家会推荐一个参考值，也可以通过计算公式得到：

式中FFP是填料摩擦系数，根据不同的压力等级和填料类型可以得到相应的填料摩擦系数，DS是阀杆直径。

阀门在关闭位置时，阀门所在系统的差压施加在阀门不平衡面积上的力称为FDP，如下式所示：

式中ΔP为系统差压，ACMU为阀门关闭时的阀芯不平衡面积，阀芯不平衡面积与阀芯类型和阀芯尺寸有关。对于不平衡式阀芯，阀芯不平衡面积就是阀芯的面积，平衡式阀芯的不平衡面积是阀芯面积与阀芯平衡孔面积的差值。

阀座密封力FSL和阀门的密封等级有关，表1是阀门行业内公认的计算阀座密封力的公式：

表1阀座密封力的计算公式

表1中ΔP为系统差压，DP为阀座直径。

通过以上的计算，可以得到阀门开启和关闭时所需的最大推力。气动执行机构的出力满足阀门的最大推力要求，才能保证阀门实现其安全功能。

（2）执行机构出力。执行机构出力的计算需要以下信息：弹簧系数、压空气源压力，有效隔膜面积、弹簧预加载荷及一些其他变量，如弹簧老化程度、减压阀设定值偏移量等，这些变量可以统一作为计算偏差来处理。执行机构出力的计算根据阀门动作方式的不同可分为直行程和角行程，根据执行机构的不同可以分为隔膜式和活塞式，每种执行机构的出力计算有较大差别。

直行程执行机构根据作用方式可以分为正作用和反作用，下面以反作用隔膜式直行程执行机构为例介绍计算方法，执行机构带有弹簧，反作用直行程执行机构为下进气，执行机构失气时阀门处于关闭位置。因此，在阀门开启时，执行机构需要提供较大出力，阀门关闭时，依靠执行机构弹簧的预紧力提供阀门关闭时的密封力。

阀门在开启位置时，执行机构出力FAOP如下：

（3）

式中，PsuPply为气源压力；EDA为执行机构隔膜的有效面积；Benchsetupper为执行机构弹簧预紧力高值；δt为执行机构出力计算时总的误差。

阀门在关闭位置时，执行机构出力FACL如下：

（4）

式中，Benchsetlower为执行机构弹簧预紧力低值；EDA为执行机构隔膜的有效面积；在计算执行机构出力时，执行机构隔膜的有效面积在执行机构动作过程中不是固定不变的，弹簧的弹性系数和减压阀设定值也存在偏差，这些偏差统一由δt来表示。

（3）气动阀的裕量计算。裕量是阀门所需最大推力或扭矩与执行机构出力之间的差值，以百分比表示。裕量的大小反映了设备的某种趋势，如执行机构的出力增大或阀杆所需的推力增大。由于执行机构的出力会随着行程改变而不断变化，因此需要评估阀门在多个位置的裕量。对于直行程阀门，需要评估的有全开位置和全关位置。

阀门的裕量用θ表示，根据公式（1）、（2）、（3）、（4），阀门在全开位置和全开位置时的裕量如下：

（5）

（6）

阀门裕量在10%以上可以认为是状态良好，不需要采取维修措施，5%以上的裕量表示阀门需要关注，需要对阀门进行评估，是否需要调整设定值使裕量升至10%以上。裕量在0%以上仅表示阀门可以操作，但需要进行一系列行动提高裕量，如调整减压阀设定值，调整弹簧预紧力，调整填料等。如果裕量为负数，需要评估阀门的可操作性，如有必要更换阀门。

（4）计算实例。下面以三门核电1#机组的一台气动阀为例，计算阀门所需最大推力和执行机构出力。该截止阀为反作用隔膜式直行程执行机构，流向是低进高出，阀门设计压力为Class 600，泄漏等级为Class IV，填料类型为石墨填料，减压阀设定值48 psi，阀门行程1.5 inch，阀杆直径1 inch，阀座直径1.875 inch，弹簧弹性系数为2100 lbs/inch，弹簧预紧力为21.5 psi-32 psi，执行机构有效隔膜面积为320，执行机构最大进气压力为70 psi，阀门所在系统最大差压为1091 psi。

经查阅文件，压力等级为Class 600，石墨填料的摩擦系数为862.5，此阀门为失效关，主要功能是起隔离作用，根据公式（1）、公式（2）可得阀门开启、关闭时的最大推力要求如下：

根据公式（3）、公式（4）可得执行机构在开启、关闭时的出力如下，总的偏差：

由以上计算结果可知，执行机构在开启、关闭时都可以满足阀门所需的最大推力要求，且阀门的裕量满足要求。

图3气动阀诊断测试曲线

图3是本阀门使用诊断设备测试得到的曲线，由诊断曲线可知，阀门在关闭位置执行机构的推力为6386lbf使用公式计算的执行机构推力为5848lbf两者比较接近，因此上述算法可以用于反作用隔膜式执行机构的设计基础审查。

3结语

设计基础审查对于核电厂关键的气动阀门非常重要，通过设计基础审查，可以获得气动阀执行机构的性能信息和裕量信息，作为阀门趋势跟踪的依据。开展气动阀门的设计基础审查工作，需要开发适用的计算方法或购买专用的软件，目前，国内还未开展本领域工作。希望通过本文对阀门所需推力和执行机构出力的计算方法的研究，对国内其他在建的三代核电机组有参考意义。

参考文献

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

[2] ；刘夏城，等.AP1000三门项目气动阀专用管理研究 ；[A].核能行业阀门状态管理经验交流会[C].2013.

作者简介：付兴成（1988—），男，山东微山人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：气动阀门的调试、诊断测试和日常维护。