核電廠電動(dòng)閥設(shè)計(jì)基準(zhǔn)分析

李　杰，王　海

（1. 核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北　武漢　430223；2. 三門核電有限公司，浙江　三門　317112）

核電廠電動(dòng)閥設(shè)計(jì)基準(zhǔn)分析

李杰1，王海2

（1. 核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北武漢430223；2. 三門核電有限公司，浙江三門317112）

文章著重介紹了核電廠電動(dòng)閥門的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查，包括系統(tǒng)層級(jí)審查和設(shè)備層級(jí)審查。系統(tǒng)層級(jí)審查是確定電動(dòng)閥所在系統(tǒng)在電廠執(zhí)照要求范圍內(nèi)最差的運(yùn)行工況，設(shè)備層級(jí)審查是確定閥門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限值、降電壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力、閥門所需的推力/扭矩、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力裕量。通過閥門設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查的實(shí)施，計(jì)算出閥門執(zhí)行其安全相關(guān)功能所需的最小推力/扭矩，確定當(dāng)前安裝的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在假定的事故工況下，能否提供所需的推力/扭矩，用以保證電動(dòng)閥在事故工況下執(zhí)行其安全功能。

電動(dòng)閥；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查；裕量

核電廠核島電動(dòng)閥多分布于重要系統(tǒng)中，電動(dòng)閥的安全與系統(tǒng)的安全息息相關(guān)。電動(dòng)閥門的失效可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的核安全事故，美國三哩島核事故主要原因之一就是閥門的故障。通過閥門設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查的實(shí)施，計(jì)算出閥門執(zhí)行相關(guān)安全功能所需的最小推力/扭矩，確定當(dāng)前安裝的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在假定的事故工況下能否提供所需的推力/扭矩，提供所需的扭矩是電動(dòng)閥在事故工況下執(zhí)行其安全功能的必要條件。

1　設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查用于驗(yàn)證電動(dòng)閥選型的準(zhǔn)確性，并確定定期驗(yàn)證試驗(yàn)所需要的工況，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查包括了系統(tǒng)層級(jí)審查和設(shè)備層級(jí)審查。

1.1系統(tǒng)層級(jí)審查

系統(tǒng)層級(jí)審查用于確定電動(dòng)閥所在系統(tǒng)在電廠執(zhí)照要求范圍內(nèi)最差的運(yùn)行工況，其結(jié)果將作為設(shè)備層級(jí)審查的輸入數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)層級(jí)審查需確定以下參數(shù)：

1） 正常閥位；

2） 介質(zhì)類型；

3） 介質(zhì)溫度；

4） 介質(zhì)流動(dòng)方向?qū)﹂y門開關(guān)的影響；

5） 介質(zhì)流速；

6） 管道流體壓力。

根據(jù)以上參數(shù)估算閥門的最大壓差工況，估算的基本方法是放大閥門上游壓力，降低下游壓力。上游壓力包括泵的壓力（Pp）、靜壓（PelvU）、環(huán)境壓力（PareaU），即Pup= Pp+ PelvU+ PareaU。其中，泵的壓頭取最大值，即關(guān)閉壓頭，由廠家提供，或者在性能曲線中取得。環(huán)境壓力可以是大氣壓力，也可以是流體源頭的箱體壓力等。下游壓力（Pdn）包括靜壓（PelvD）和環(huán)境壓力（PareaD），即Pdn= PelvD+ PareaD。當(dāng)無法確定下游壓力時(shí)，一般保守取值為0。最大壓差為：MEDP=Pup- Pdn。估算的最大壓差作為設(shè)備層級(jí)審查的輸入值，用以計(jì)算閥門所需的最小推力或扭矩。

1.2設(shè)備層級(jí)審查

設(shè)備層級(jí)審查用于確定閥門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限值（weaklink）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力、閥門所需的推力/扭矩以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力裕量，另外還需關(guān)注閥桿和閥桿螺母能否自鎖及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能否自鎖。另外，根據(jù)美國核管會(huì)發(fā)布的GL 95-07文件的要求，對(duì)于電動(dòng)閘閥還要評(píng)估熱粘連和閥腔憋壓。

設(shè)備層級(jí)審查主要分為以下3個(gè)步驟：

1） 計(jì)算閥門所需的最小推力；

2） 驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力；

3） 比對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力和閥門運(yùn)行必需的最小推力，計(jì)算出電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裕量。

1.2.1計(jì)算閥門所需的最小推力

下面以電動(dòng)楔式閘閥為例，介紹閥門關(guān)閉、開啟所需推力的計(jì)算。

閥門關(guān)閉所需要的最小推力：

閥門開啟所需要的最小推力：

為了給診斷測(cè)試提供推力驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在此必須確定測(cè)試推力值窗口，上、下限值的確定方法如下：

（1）下限值的確定

通過上述公式計(jì)算得出閥門關(guān)閉所需要的最小推力F1，在實(shí)際的測(cè)試工程中，存在許多不確定的因素，會(huì)對(duì)最小推力F1值產(chǎn)生影響，因此必須對(duì)F1進(jìn)行修正，考慮的不確定因素如下：

1）扭矩開關(guān)的重復(fù)性誤差：5%；

2）診斷設(shè)備的誤差：10%；

3）負(fù)載誤差：10%；

4）閥桿潤滑降質(zhì)誤差：5%。

前面兩項(xiàng)為隨機(jī)性誤差取其均方根，后兩項(xiàng)直接相加，得到總的誤差為26.18%；再考慮10%的裕量；最終確定的閥門關(guān)閉推力下限值F下限=F1×1.3618。

（2）上限值的確定

測(cè)試推力上限值通過以下幾個(gè)參數(shù)確定：

1）閥門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限值，閥門廠家提供；

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)額定推力或扭矩，執(zhí)行機(jī)構(gòu)廠家提供；

3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)在80%額定電壓下的輸出能力，在緊急情況下電廠供電系統(tǒng)可能只能提供80%的額定電壓，故要考慮80%額定電壓下的輸出能力，通過降電壓時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力公式計(jì)算獲得。

取上述3個(gè)參數(shù)中的最小值Fmin，然后向下進(jìn)行不確定度的修正，此時(shí)只需考慮扭矩開關(guān)的重復(fù)性誤差和診斷設(shè)備的誤差，將兩項(xiàng)取其均方根，得到的總誤差為11.18%，最終確定的閥門關(guān)閉推力上限值F上限=Fmin×（1-0.111 8）。

1.2.2驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力計(jì)算公式如式（1）、式（2）：

對(duì)于交流電機(jī)，當(dāng)實(shí)際可用電壓為額定電壓的90%～110%時(shí)，n=0；當(dāng)實(shí)際可用電壓為額定電壓的70%～90%時(shí)，n=2。

對(duì)于直流電機(jī)，n=1。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力的能力=執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的扭矩/閥桿因子。

1.2.3比對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力和閥門所需的最小推力，計(jì)算出電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裕量

裕量是閥門所需最小推力和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出力之間的差值，以百分比表示。裕量的大小反映了設(shè)備的某種趨勢(shì)，如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出力增大或閥桿所需的推力增大。

閥門裕量在10%以上可以認(rèn)為閥門狀態(tài)良好，不需采取任何行動(dòng)項(xiàng)；閥門裕量在5%以上表示閥門需要關(guān)注，對(duì)閥門進(jìn)行評(píng)估，可能調(diào)整設(shè)定值使裕量升至10%；閥門裕量在0%以上僅表示閥門可以操作，但需要一系列行動(dòng)項(xiàng)提高裕量，如調(diào)整填料，增大扭矩設(shè)定值等。如果閥門裕量為負(fù)值，則需要評(píng)估閥門的可操作性，評(píng)估就地環(huán)境，如有必要可以更換閥門、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2　結(jié)束語

文章著重分析了電動(dòng)閥設(shè)計(jì)基準(zhǔn)審查的流程，總結(jié)了閥門執(zhí)行相關(guān)安全功能所需的最小推力/扭矩的計(jì)算公式和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出能力的計(jì)算公式，通過計(jì)算結(jié)果的比對(duì)得出電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裕量。裕量在0%以上，表示當(dāng)前安裝的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在假定的事故工況下，能提供所需的推力/扭矩，是保證電動(dòng)閥在事故工況下執(zhí)行其安全功能的必要條件。希望文章能為國內(nèi)核電廠電動(dòng)閥管理工作提供參考。

［1］ EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center：Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants Revision 2［R］，2007.

［2］ 韓杰.A P1000三門核電廠電動(dòng)閥診斷方法介紹［C］.核能行業(yè)閥門狀態(tài)管理經(jīng)驗(yàn)交流研討會(huì)論文集，2013.（HAN Jie. The Diagnostic Method for the Electric Valves of Sanmen AP1000 NPP［C］. Proceedings for the Management Experience Exchange Seminar on Nuclear Valve Status，2013.）

［3］ NRC， NRC Generic Letter 89-10： Safety-Related Motor-Operated Valve Testing and Surveillance Results of the Public Workshops［R］，June 28， 1989.

［4］ NRC， NRC Generic Letter 96-05： Periodic Verification design-basis Capability of Safety-Related Motor-Operated Valve［R］， September 18，1996.

［5］ NRC， Resolution of Generic Safety Issue 158：Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions［R］， March 15， 2000.

Design Basis Review for Motor Operated Valves in Nuclear Power Plant

LI Jie1，WANG Hai2
（1. Research Institute of Nuclear Power Operation，Wuhan of Hubei Prov. 430223，China；2. Sanmen Nuclear Power Co.，Ltd.，Sanmen of Zhejiang Prov. 317112，China）

This article introduces the design basis review for motor operated valves in nuclear power plant. The design basis review consists of both a system level review and a component level review. The system level review determines the worst operating conditions of motor operated valves system within the licensing basis of the plant. The component level review establishes the weak link of motor operated valves， degraded voltage actuator output capabilities， required operating torque/ thrust， actuator output capability， and available actuator capability margin. The design basis review is to develop a calculation that determines the required force to open or close a valve and make sure the installed operator can supply the required force under postulated accident conditions which will make sure motor operated valves have the ability to execute safe function under accident condition.

motor operated valves；design basis review；margin

TL32Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0114-03

TL32

A

1674-1617（2015）02-0114-03

2015-02-04

李杰（1982—），男，湖北漢川人，工程師，本科，從事核電廠閥門診斷及診斷設(shè)備研發(fā)工作。