核電站控制閥抗地震結構的改進與發(fā)展

在過去五十年中，自動控制閥的基本功用沒有變化。只是在固定的基本性能上有所提高如增加流量系數，減少噪音，減少氣蝕和改進流量特性。然而結構設計特性的改變十分緩慢。直到核能的出現，才使閥門制造者在閥門設計時不得不考慮到像地震這類外界力量產生的影響。本論文從抗地震設計的觀點討論了控制閥的改進；諸如材質的選用，驅動裝置設計和結構裝配、零件的裝配等。

　　核電站用控制閥必須能承受地震的影響。事實上，這是美國聯邦管理法規(guī)上就關于本國核電站的設計、建筑和運轉等一系列廣泛論題規(guī)定了必要條件。10CFFR50是“美國聯邦設備生產和使用許可證”的代稱，其附錄A中列出了“核電站通用設計標準”(GDC)。GDC一2中有一段中說：“核電站結構，裝置和元件必須設計成能承受如地震、龍卷風、飚風…之類自然現象的影響”。別的GDC也可作為指示設備抗地震和動力限制的必要條件的參考。這些包括GDC一1，一4，一14和一30。

　　盡管名義上有，但這類未作詳細說明的通用標準實際上無法執(zhí)行。隨著核工業(yè)的成熟，核電站設備的抗地震設計和分析也就隨之明確，所有工業(yè)部門提出的這些GDC在今天的抗地震設計控制閥的改進中有了一席之地。核能調節(jié)委員會(NRC)發(fā)布了“標準檢驗方案”和“標準調節(jié)指導?！备鞴I(yè)組織也發(fā)布了稱為“NRC”要求標準的一系列法規(guī)和標準。建筑設計師和公用事業(yè)也開始發(fā)布有關法規(guī)

　　對標準調節(jié)指導，標準檢驗方案和許可證的申請都有明確的要求。最后。控閥制造者為滿足工業(yè)上抗地震限制條件而改進了產品結構設計。

　　抗地震限制的必要條件(SQR)

　　起初，控制閥說明書中有關抗地震必要條件通常很少，只是簡單性地說一些如“這些閥門能經受住地震、龍卷風等自然現象影響”或“這些閥門在設計中考慮了地理的影響”，通常在這些條件中都沒有定量的數值。與之形成對比的是，今天的說明書中有關抗地震條件部分在規(guī)定可接受的限制方式，設備必須限制的加速率是十分精確。在很早期的工廠中，抗地震設計必要條件只是認為當設備安置在一個很活躍的地震帶時方是必須的。在那些工廠中設備和建筑都是根據建筑法規(guī)(VBC)的要求設計的，是采用靜態(tài)的分析技術。由1965年的抗地震設計內容形成了一個所有核電站的通用條件規(guī)范。有足夠的證據可以顯示出地震可能在任何一個地方發(fā)生，不論是在地震頻繁的地區(qū)還是只是在歷史上曾經發(fā)生過的地方，都有可能發(fā)生地震。發(fā)生于寫薩諸塞州(1755年)；密蘇里洲(1812年)南卡羅來納洲(1876年)的幾次大地震證明在核電站的設計中應考慮抗地震設計。

　　早期，大部分設備被限定使用靜態(tài)的分析方式，與復雜的建筑及其它結構相比這對于結構簡單的控制閥是適用的。用于這些分析的輸入加速率通常以建立反應加速率為基礎或甚至是以場地而不是以管線系統(tǒng)的反應加速率為基礎，但仍然沒有標準。

　　在發(fā)展的前期，專業(yè)組織為了核工業(yè)的特殊需要而建立了各種委領會和職業(yè)團體，對閥門制造者最有影響的兩個協(xié)會是“美國機械工程師學會”(ASME)和“電與電子協(xié)會(IEEE）。ASME中有關鍋爐與壓力容器規(guī)范中第3部分是專門為核電站的元件所編寫的，1968年這部分成了法規(guī)草案的雛形，并于1971年第一次用它的全部內容出版發(fā)行，在以后6個月中又做了數次修改。然而，ASME—IlI中僅指明了閥門的壓力范圍。根據其定義，只是有閥體、閥蓋、閥桿和連接體蓋的螺栓的壓力范圍對于閥門的其余部分即附件和驅動裝置，在ASME—III中沒有提及，正因如此，在法規(guī)中只涉及壓力界線完整性而沒有涉及設備運行的能力。

　　為了表明在地震中和地震后設備運行的能力，就必須制訂別的標準。IEEE一344是最受公認的設備抗地震用參考標準。在1971年首次公布，1975年其主要部分做了很大的修訂．盡管IEEE標明其適用于機電設備上，但其通常被公認為適用于所有設備的抗地震限定條件標準。NRC的標準檢驗方案3.10中討論了機電設備的抗地震條件，在SRP3.10中NRC闡明IEEE一344適用于所有類型的機電設備的抗震要求。

　　后來，直到IEEE一382在1972年首次發(fā)布時，閥門驅動裝置或閥門組件的抗地震限定要求才有一些規(guī)定。然而，那時它只是規(guī)定了閥門電動驅動裝置的限定(在地震環(huán)境中)而對于彈性隔膜驅動裝置，汽缸驅動裝置，液壓驅動裝置等沒有特別的限定標準。于1980年發(fā)布的IEEE一382改變了這種現象，它包括了全部各種驅動裝置的限定標準IEEE一382—1990“閥門驅動裝置安全條件IEEE標準”中說明“該規(guī)范適用于所有類型的動力驅動的閥門驅動裝置”。IEEE一344和IEEE一382是最為廣泛被公認的關于閥門或閥門驅動裝置抗地震的標準，還育許多別的標誰也被公布或是得到了不同的發(fā)展。然而，這些標準很難如上述兩者那樣得到廣泛的承認，因為這些標準中很難使人對于他們的必要條件有清楚的理解，而幾乎不能保證他們的技術和設計要求，這些標準被列到附錄A中。

　　這些標準中的每一個都將閥門組件看成是一個獨立的單位，關于閥門對裝置在其上的管線系統(tǒng)或管線系統(tǒng)對閥門的影響都沒有說明。因而．管線系統(tǒng)設計者就處于甚至在閥門被選擇或買主選擇之前就必須考慮在他們的管線系統(tǒng)中的閥門的動力學特性這樣一個不公平的位置上。當然，閥門制造者也必須在管線系統(tǒng)定案之前詳細說閥門的抗地震要求，這是一個制動裝置一22一一管線系統(tǒng)設計著只有在知道閥門將怎樣反應之后才能為他的管線系統(tǒng)中的閥門定型，而閥門制造者只有知道管線系統(tǒng)將怎樣反應才能限定在個特別管線位置上的閥門。這樣，閥門規(guī)范中的通用抗地震規(guī)范待以發(fā)展。

　　這些通用的規(guī)范是閥門制造者和管線系統(tǒng)設計者之間的一個折衷，閥門制造者同意排除從閥門回到管線系統(tǒng)的動力學反饋。它被要求這樣做是因為閥門組件在一個可選擇值上有其基本的自然頻率．通常是33Hz。在這種方式下任何建筑或管線都被認為具有低于33Hz，否則就不能承受地震的共振諧率。這樣將不會導致閥門的共振和其固有的放大。因此，管線系統(tǒng)的設計者是需在它的系統(tǒng)中考慮閥門的質量。作為回報，管線系統(tǒng)設計者同意限制成為閥門地震輸入的管線系統(tǒng)的動態(tài)特性一達到某個值。這個值的上限成為閥門限定的輸入加速度，依據建筑工程師的意見通常是3.og或45g，至今為止，閥門抗地震設計條件的，發(fā)展是從一般設計準則到工業(yè)的法規(guī)和標準。最后技術要求中要求一個具有自然頻率大于331HZ和屬于1～33Hz頻率范圍之內3.0g的或4.5g的輸入加速度。

　　閥體：

　　閥體是必不可少的管線系統(tǒng)理，如果管線系統(tǒng)符合要求，閥門也必然符合要求。這正是ASME法規(guī)的編青所論述”的。根據該法規(guī)，如果管線和閥體都是根據法規(guī)所設計的，而制造者能顯示出閥門中最弱的部分也比管線強度高，那么這閥門就認J是合格的。這主要應表現出閥門的剖面積和剖面膜數值至少要比管線的那些高10％。如果管線和閥門的材質不同，那就要考慮它們之間所能承受壓力的差別。(根據ASMEIll、NCl／ND3S21)。

　　對于同樣管線尺寸的閥門和管線來說，可以毫無疑問證明是符合要求時；典型的情況是閥門強度要比與之連接的管線高300％～400％，世當使用漸縮管或閥門比管線尺寸小2倍或更多時。就產生問題了。這個問題可以用幾種方式減緩，一種簡單的方式是將閥門內件面積縮減至與管線尺寸相同少這種簡易的方式有其所取之處，因為用一個大尺寸的閥門就意味著更高的成本。另一個方法是從買主那了解管線負荷和施行應力分析。自然．施行應力分析也會增加生產成本，特別是如果應用計算機方法逐一限定的元件。第3種解決方式是用高壓力系數的閥體(也就是說用ANSl600級而不是用15Q級），這將增大金屬剖截面，使金屬材料增加，但可能比用大尺寸閥門的成本要低。當然，這幾種方式結合在一起可以達到最佳效果。

    一般來說，控制閥閥體的結，構不需要有更多的改變就適應抗地震的要求，通常閥體比管線強度高，而采用應力分析的方法也很簡單。偶爾也需要利用一些技術改造，利用選擇閥門尺寸和壓力系數同時來滿足液體處理要求和抗地震要求。

    閥蓋：

    從抗地震分析的觀點看：閥蓋可以視為一個“中間支撐結構”。管線系統(tǒng)的地震運動必須經過閥蓋方能到達驅動裝置。因此，閥蓋必須能承受住驅動裝置的動力學作用。對于它自身，閥蓋是閥門中一個非常強的部分，然而因為它自身的基本結構，它很難精確地分析。

    大部分控制閥閥蓋用ASME一Ⅲ中的附錄X1分析，盡管這個附錄通常是為管線法蘭的分析準備的，但被公認為可以做閥蓋法蘭的分析。任何位于驅動裝置上的因地震導致的彎曲力解波轉換成一種“高值壓力”簡稱eq．一從而增加了閥門的設計壓力，閥蓋和體蓋螺栓就必須能承受住這種增加的法蘭結構壓力，Pfd=Pd+Peq。)。如果用更復雜的方法計算壓力，那么計算壓力將更高。因為閥蓋是比需要的壓力強許多，所以計算壓力通常在限定的許可范圍之l內。

    閥蓋必須能支撐住固定在其上的驅動裝置人選些驅動裝置常常很大而從閥蓋上延伸到一個顯著的位置上，一個閥門驅動裝置也許對整個系統(tǒng)有著明顯的動力影響。正是這些動力因素導致了閥蓋結構的絕大部分改變，這些結構的改變包括增加管壁和法蘭厚度和重新設計驅動裝置與閥蓋的連接方式少受力狀態(tài)，相反是增加硬度和穩(wěn)定性。閥蓋越是堅固，閥門各部件的總體上的固有頻率就越能保持得盡可能高。

    閥門驅動裝置：

    閥門驅動裝置是最受核動力工業(yè)抗地震限定條件影響的控制閥部件，曾一度被認為本質上簡單的控制閥驅動裝置已被其自身證明做樣品分析和為了增加固有頻率而做的改進是同樣困難的。正像閥門_中別的部分一樣，驅動裝置結構已基本上十幾年保持不變了；它的設計能力已在以礦物燃料為動力的工廠，造紙廠石油精煉廠以及所有大大小小的輪船上的多年應用中得到證明，直到閥門制造商不得不通過檢驗證明抗地震要求，才有了設計上的改變。

    一個驅動裝置有兩個基本部件，支架和動力裝置，支架用于將驅動裝置固定在閥蓋上，以提供一個連接閥桿和驅動裝置的位置、以及提供一個用來安裝附件的位置(如彈簧膜片驅動裝置中的限位開關和定位器等)。第二部分是動力源，典型的類型是彈簧膜板、氣缸、液壓千斤頂和電機。

    在大多數情況下支架由鑄鐵制成，并用一些大的緊固螺母與水蓋連接在一起，然而因為必須承受像地震這樣的動力負荷的需要。就必須改變設計。首先改變的是材質，最初所用的材質一鑄鐵非常適合最初的設計負荷，即主要的驅動一裝置推力。鑄鐵有一個問題，它很脆的材料對于大的沖擊負荷和低轉疲勞負荷損壞非常敏感，因此將鑄鐵材料改為鑄鋼材料、通常是ASTM一216WCB型，這個改變是容易實現的，因為設計和模具都是相同的．機加工也是相同的，只是材料改變而已。

    下一個改變就比較困難，許多抗地震檢驗的結果證實支架和閥蓋的連接必須重新設計，緊固螺母比起初的設計性能要高，然而抗地震檢驗的動力負荷情況結果中顯露出一些問題：首先，支架是支撐在閥蓋的小座上，這足夠支撐延伸出來的驅動裝置的推力負荷，因為所有組件都是受一壓力作用，然而，在驅動裝置的基部沒有足夠的支撐面來保持盡可能高的支架的堅固程度。

    其次，緊固螺母在抗地震檢驗中傾向于松動．一次地震試驗的過程要比任何一次可能遇到的地震都劇烈，而且這種松動不像鑄鐵的斷裂那樣是災難性的。盡管如此，在緊固螺母這樣的關鍵部位的松動也是不允許的。同時，緊固螺母的松動也有其它問題，它意味著支架和閥蓋間的連接一旦松動．驅動裝置接著就可能繞著閥桿軸線偏轉，從而導致像限位開關和定位器元件的位移而造成失控。

    驅動裝置和閥蓋兩者在連接上都做了改進，設計的基本思想是在支架和閥蓋問提供一個大的接觸面，提供一個防止驅動裝置轉動和連接處的松動，使支架和閥蓋間的連接更堅同。在閥蓋和支架間提供一個大的接觸向的設計是相當容易的。閥蓋的澆鑄模型做了臨時或永久地改進，以提供一個緊固驅動裝置的固定法蘭或是在州有閥蓋上焊接一塊平板。如何使驅動裝置堅固可取決于設計者的措施。連接方式見圖2．它包括最初的緊固螺母結構，其它的方式有：將驅動裝置根據和閥蓋法蘭、螺栓相接，或壓扳放于用螺栓，固定閥蓋的位置上使驅動裝置緊固，或者通過閥蓋法蘭用螺栓直接固定在支架上。

    驅動裝置設計中根據抗地震的基本原則也也進行了部分修改.這些原則包括盡可能提高強度，減輕重量和降低整體的重心。盡管(這將在后就討論)這些改變的目的不是討論起來十分簡單，但實際上這些原則執(zhí)行起來卻十分困難。例如：為了提高強度就必須增加材料(增加質量)，因為動力源必須支架腿支撐，重心也只能降低到有限的程度，很多情況下為了適應抗地震必要條件就必須用結構鋼安裝驅動裝置或額外增加支撐。

    通常的情形是．一個給定尺寸的標。準驅動裝置必有一個在1OHz范圍內的固定頻率，為了抗地震需要而重新設計驅動裝置幾乎是進行一個全新的設計。增加基座使用螺栓固定閥蓋。支架由結構鋼制成。主要是槽鋼，這是為了提高強度。在強度低的隔板箱上增設加同板，以消除彎曲，通過去掉多余的材料使重心降低。結果使驅動裝置在同樣的閥門上有相同的功能。它的同有頻率完全在33Hz之上。為了滿足核電站抗地震條件要求，控制閥驅動裝置經歷丁相當大的結構改進。這些改進包括材料、連接方式和總體結構的設計，結果是常常用一種類型的設汁和—項工程改革，就能滿足工業(yè)產口的需要。

    驅動裝置附件：

    驅動裝置附件常見在類似彈簧膜片驅動的或氣缸驅動的這些氣動裝置上，固定在驅動裝置上的附件類型包括：限位開關，電磁閥、定位器，空氣過濾調節(jié)器、空氣升壓器和電動氣動傳感器。附件的數量和類型以閥門的功能和使用者的需要為準。電和電磁液壓驅動裝置附件通常包括在驅動裝置結構中，因此很少有問題。除此之外．它們不需要像空氣接收器、電磁閥和空氣升壓器之類設備同時也不需要那些紊亂的氣體管路。

    在氣動裝置上這些附件同驅動裝置相比尺寸都比其要小，這就是說附件的安裝不會顯著影響整個閥門部件的動力學特性。然而附件和它們的固定設備對閥門的抗地震能力確實有一定影響。例如：考慮到限位開關的安裝，如果用一種彈性的方式安裝，它就會失去與閥桿連接，因此就會結控制室傳導一個錯誤的信號?；蛘呤菍⒖諝饨邮掌骱碗姶砰y的撓性連接。撓性連接和它固有的大的偏移將不會產生像限位開關的固定而導致的錯誤信號，但是它能使連接的銅管工作險難和斷裂．因此使閥¨不能工作，對于控制閥的抗地震要求來說。產生躇誤信號、氣體管路的斷裂和別的事件的發(fā)生是不合格的。附件的設計和安裝也必須根據驅動裝置的抗地震結構的原則：1)保持足夠高的硬度；2)有最小的體積；3)為了保持低重心，使有效的重量盡可能低。通常附件的結構改變主要是利用安裝架，對于一般工業(yè)來說僅有的要求是固定元件使其能夠工作并能承受裝運、安裝和正常操作，然而對于核電站的應用就不夠了。

    前景：

    核電站抗地震要求的進展是很難于預測的，同樣，控制閥將來的設計改進也是難以預測的，但可以預測將來的發(fā)展不會像以前那樣快。已證明現存設備的抗地震情況和當前設計對早期設計進行不大的改進是可能的，所有正在運行的核電站證明涉及安全的電設備能承受熱、輻射和潮濕的影響(據10CFR50、49)，許多設備已被“經檢定”的設備替代。以后的產品將注明合格的抗地震設備，這對于最被建立的設有抗地震要求的老核電站或微型設備在設計中的增強是特別重要的。

    也許新的抗地震設計設備將替代老設備，鑄鐵驅動裝置將被鑄鋼替代，緊固螺栓連接方式將替代緊固螺母連接方式，設備限制低的加速率并且又有小的固有頻率條件將被堅同閥¨替代而且附件限制在3.Og或4.5g輸入加速度的水平上。

    結束語：

    核電站中抗地震設備的安裝是十個發(fā)展的過程，為適應這些要求控制閥的設計也得到發(fā)展?？刂崎y制造商為了滿足買主的需要既說，明了產品的結構設計又注明了功能設計。盡管抗地震限制條件的改進情況比以前變慢了，老核電站的擁有者也許需要用新的抗地震設備代替舊的設備，對他們來說為了滿足今天的抗地震限制條件，這些改進是必要的。