核电站控制阀抗地震结构的改进

在过去五十年中，自动控制阀的基本功用没有变化。只是在固定的基本性能上有所提高如增加流量系数，减少噪音，减少气蚀和改进流量特性。然而结构设计特性的改变十分缓慢。直到核能的出现，才使阀门制造者在阀门设计时不得不考虑到像地震这类外界力量产生的影响。本论文从抗地震设计的观点讨论了控制阀的改进；诸如材质的选用，驱动装置设计和结构装配、零件的装配等。 　　核电站用控制阀必须能承受地震的影响。事实上，这是美国联邦管理法规上就关于本国核电站的设计、建筑和运转等一系列广泛论题规定了必要条件。 10CFFR50是“美国联邦设备生产和使用许可证”的代称，其附录A中列出了“核电站通用设计标准”(GDC)。GDC一2中有一段中说：“核电站结构，装置和元件必须设计成能承受如地震、龙卷风、飚风…之类自然现象的影响”。别的GDC也可作为指示设备抗地震和动力限制的必要条件的参考。这些包括 GDC一1，一4，一14和一30。 　　尽管名义上有，但这类未作详细说明的通用标准实际上无法执行。随着核工业的成熟，核电站设备的抗地震设计和分析也就随之明确，所有工业部门提出的这些GDC在今天的抗地震设计控制阀的改进中有了一席之地。核能调节委员会(NRC)发布了“标准检验方案”和“标准调节指导。”各工业组织也发布了称为“NRC”要求标准的一系列法规和标准。建筑设计师和公用事业也开始发布有关法规，对标准调节指导，标准检验方案和许可证的申请都有明确的要求。最后。控阀制造者为满足工业上抗地震限制条件而改进了产品结构设计。 　　抗地震限制的必要条件(SQR) 　　起初，控制阀说明书中有关抗地震必要条件通常很少，只是简单性地说一些如“这些阀门能经受住地震、龙卷风等自然现象影响”或“这些阀门在设计中考虑了地理的影响”，通常在这些条件中都没有定量的数值。与之形成对比的是，今天的说明书中有关抗地震条件部分在规定可接受的限制方式，设备必须限制的加速率是十分精确。在很早期的工厂中，抗地震设计必要条件只是认为当设备安置在一个很活跃的地震带时方是必须的。在那些工厂中设备和建筑都是根据建筑法规 (VBC)的要求设计的，是采用静态的分析技术。由1965年的抗地震设计内容形成了一个所有核电站的通用条件规范。有足够的证据可以显示出地震可能在任何一个地方发生，不论是在地震频繁的地区还是只是在历史上曾经发生过的地方，都有可能发生地震。发生于写萨诸塞州(1755年)；密苏里洲(1812年) 南卡罗来纳洲(1876年)的几次大地震证明在核电站的设计中应考虑抗地震设计。 　　早期，大部分设备被限定使用静态的分析方式，与复杂的建筑及其它结构相比这对于结构简单的控制阀是适用的。用于这些分析的输入加速率通常以建立反应加速率为基础或甚至是以场地而不是以管线系统的反应加速率为基础，但仍然没有标准。 　　在发展的前期，专业组织为了核工业的特殊需要而建立了各种委领会和职业团体，对阀门制造者最有影响的两个协会是“美国机械工程师学会” (ASME)和“电与电子协会(IEEE)。ASME中有关锅炉与压力容器规范中第3部分是专门为核电站的元件所编写的，1968年这部分成了法规草案的雏形，并于1971年第一次用它的全部内容出版发行，在以后6个月中又做了数次修改。然而，ASME—IlI中仅指明了阀门的压力范围。根据其定义，只是有阀体、阀盖、阀杆和连接体盖的螺栓的压力范围对于阀门的其余部分即附件和驱动装置，在ASME—III中没有提及，正因如此，在法规中只涉及压力界线完整性而没有涉及设备运行的能力。 　　为了表明在地震中和地震后设备运行的能力，就必须制订别的标准。IEEE一344是最受公认的设备抗地震用参考标准。在1971年首次公布，1975年其主要部分做了很大的修订.尽管IEEE标明其适用于机电设备上，但其通常被公认为适用于所有设备的抗地震限定条件标准。NRC的标准检验方案3.10中讨论了机电设备的抗地震条件，在SRP 3.10中NRC阐明IEEE一344适用于所有类型的机电设备的抗震要求。 　　后来，直到IEEE一382在1972年首次发布时，阀门驱动装置或阀门组件的抗地震限定要求才有一些规定。然而，那时它只是规定了阀门电动驱动装置的限定(在地震环境中)而对于弹性隔膜驱动装置，汽缸驱动装置，液压驱动装置等没有特别的限定标准。于1980年发布的IEEE一382改变了这种现象，它包括了全部各种驱动装置的限定标准IEEE一382—1990“阀门驱动装置安全条件IEEE标准”中说明“该规范适用于所有类型的动力驱动的阀门驱动装置”。 　　IEEE一344和IEEE一382是最为广泛被公认的关于阀门或阀门驱动装置抗地震的标准，还育许多别的标谁也被公布或是得到了不同的发展。然而，这些标准很难如上述两者那样得到广泛的承认，因为这些标准中很难使人对于他们的必要条件有清楚的理解，而几乎不能保证他们的技术和设计要求，这些标准被列到附录A中。 　　这些标准中的每一个都将阀门组件看成是一个独立的单位，关于阀门对装置在其上的管线系统或管线系统对阀门的影响都没有说明。因而.管线系统设计者就处于甚至在阀门被选择或买主选择之前就必须考虑在他们的管线系统中的阀门的动力学特性这样一个不公平的位置上。当然，阀门制造者也必须在管线系统定案之前详细说阀门的抗地震要求，这是一个制动装置一22一一管线系统设计着只有在知道阀门将怎样反应之后才能为他的管线系统中的阀门定型，而阀门制造者只有知道管线系统将怎样反应才能限定在个特别管线位置上的阀门。这样，阀门规范中的通用抗地震规范待以发展。 　　这些通用的规范是阀门制造者和管线系统设计者之间的一个折衷，阀门制造者同意排除从阀门回到管线系统的动力学反馈。它被要求这样做是因为阀门组件在一个可选择值上有其基本的自然频率.通常是33Hz。在这种方式下任何建筑或管线都被认为具有低于33Hz，否则就不能承受地震的共振谐率。这样将不会导致阀门的共振和其固有的放大。因此，管线系统的设计者是需在它的系统中考虑阀门的质量。作为回报，管线系统设计者同意限制成为阀门地震输入的管线系统的动态特性一达到某个值。这个值的上限成为阀门限定的输入加速度，依据建筑工程师的意见通常是3.og或45g，至今为止，阀门抗地震设计条件的，发展是从一般设计准则到工业的法规和标准。最后技术要求中要求一个具有自然频率大于331HZ和属于1～33Hz频率范围之内3.0g的或4.5g的输入加速度。 　　研究控制阀抗地震结构改进的最好方法是逐一研究它的主要零部件，这些部件见图1；它们是阀体、阀盖、与阀盖相连的驱动装置和装置驱动装置之上的驱动装置附件。 　　阀体： 　　阀体是必不可少的管线系统理，如果管线系统符合要求，阀门也必然符合要求。这正是ASME法规的编青所论述”的。根据该法规，如果管线和阀体都是根据法规所设计的，而制造者能显示出阀门中最弱的部分也比管线强度高，那么这阀门就认J是合格的。这主要应表现出阀门的剖面积和剖面膜数值至少要比管线的那些高10%。如果管线和阀门的材质不同，那就要考虑它们之间所能承受压力的差别。(根据ASMEIll、NCl／ND3S21)。 　　对于同样管线尺寸的阀门和管线来说，可以毫无疑问证明是符合要求时；典型的情况是阀门强度要比与之连接的管线高300%～400%，世当使用渐缩管或阀门比管线尺寸小2倍或更多时。就产生问题了。这个问题可以用几种方式减缓，一种简单的方式是将阀门内件面积缩减至与管线尺寸相同少这种简易的方式有其所取之处，因为用一个大尺寸的阀门就意味着更高的成本。另一个方法是从买主那了解管线负荷和施行应力分析。自然.施行应力分析也会增加生产成本，特别是如果应用计算机方法逐一限定的元件。第3种解决方式是用高压力系数的阀体 (也就是说用ANSl600级而不是用15Q级)，这将增大金属剖截面，使金属材料增加，但可能比用大尺寸阀门的成本要低。当然，这几种方式结合在一起可以达到最佳效果。 　　一般来说，控制阀阀体的结，构不需要有更多的改变就适应抗地震的要求，通常阀体比管线强度高，而采用应力分析的方法也很简单。偶尔也需要利用一些技术改造，利用选择阀门尺寸和压力系数同时来满足液体处理要求和抗地震要求。 　　阀盖： 　　从抗地震分析的观点看.阀盖可以视为一个“中间支撑结构”。管线系统的地震运动必须经过阀盖方能到达驱动装置。因此.阀盖必须能承受住驱动装置的动力学作用。对于它自身，阀盖是阀门中一个非常强的部分，然而因为它自身的基本结构，它很难精确地分析。 　　大部分控制阀阀盖用ASME一Ⅲ中的附录X1分析，尽管这个附录通常是为管线法兰的分析准备的，但被公认为可以做阀盖法兰的分析。任何位于驱动装置上的因地震导致的弯曲力解波转换成一种“高值压力”简称eq.一从而增加了阀门的设计压力，阀盖和体盖螺栓就必须能承受住这种增加的法兰结构压力，Pfd=Pd + Peq。).如果用更复杂的方法计算压力，那么计算压力将更高。因为阀盖是比需要的压力强许多，所以计算压力通常在限定的许可范围之l内。 　　阀盖必须能支撑住固定在其上的驱动装置人选些驱动装置常常很大而从阀盖上延伸到一个显著的位置上，一个阀门驱动装置也许对整个系统有着明显的动力影响。正是这些动力因素导致了阀盖结构的绝大部分改变，这些结构的改变包括增加管壁和法兰厚度和重新设计驱动装置与阀盖的连接方式少受力状态，相反是增加硬度和稳定性。阀盖越是坚固，阀门各部件的总体上的固有频率就越能保持得尽可能高。 　　阀门驱动装置： 　　阀门驱动装置是最受核动力工业抗地震限定条件影响的控制阀部件，曾一度被认为本质上简单的控制阀驱动装置已被其自身证明做样品分析和为了增加固有频率而做的改进是同样困难的。正像阀门_中别的部分一样，驱动装置结构已基本上十几年保持不变了；它的设计能力已在以矿物燃料为动力的工厂，造纸厂石油精炼厂以及所有大大小小的轮船上的多年应用中得到证明，直到阀门制造商不得不通过检验证明抗地震要求.才有了设计上的改变。 　　一个驱动装置有两个基本部件，支架和动力装置，支架用于将驱动装置固定在阀盖上，以提供一个连接阀杆和驱动装置的位置、以及提供一个用来安装附件的位置(如弹簧膜片驱动装置中的限位开关和定位器等)。第二部分是动力源，典型的类型是弹簧膜板、气缸、液压千斤顶和电机。 　　在大多数情况下支架由铸铁制成，并用一些大的紧固螺母与水盖连接在一起，然而因为必须承受像地震这样的动力负荷的需要.就必须改变设计。首先改变的是材质，最初所用的材质一铸铁非常适合最初的设计负荷，即主要的驱动一装置推力。铸铁有一个问题，它很脆的材料对于大的冲击负荷和低转疲劳负荷损坏非常敏感，因此将铸铁材料改为铸钢材料、通常是ASTM一216 WCB型，这个改变是容易实现的，因为设计和模具都是相同的.机加工也是相同的，只是材料改变而已。 　　下一个改变就比较困难，许多抗地震检验的结果证实支架和阀盖的连接必须重新设计，紧固螺母比起初的设计性能要高，然而抗地震检验的动力负荷情况结果中显露出一些问题：首先，支架是支撑在阀盖的小座上，这足够支撑延伸出来的驱动装置的推力负荷，因为所有组件都是受一压力作用，然而，在驱动装置的基部没有足够的支撑面来保持尽可能高的支架的坚固程度。 　　其次，紧固螺母在抗地震检验中倾向于松动.一次地震试验的过程要比任何一次可能遇到的地震都剧烈，而且这种松动不像铸铁的断裂那样是灾难性的。尽管如此，在紧固螺母这样的关键部位的松动也是不允许的。同时，紧固螺母的松动也有其它问题，它意味着支架和阀盖间的连接一旦松动.驱动装置接着就可能绕着阀杆轴线偏转，从而导致像限位开关和定位器元件的位移而造成失控。 　　驱动装置和阀盖两者在连接上都做了改进，设计的基本思想是在支架和阀盖问提供一个大的接触面，提供一个防止驱动装置转动和连接处的松动，使支架和阀盖间的连接更坚同。在阀盖和支架间提供一个大的接触向的设计是相当容易的。阀盖的浇铸模型做了临时或永久地改进，以提供一个紧固驱动装置的固定法兰或是在州有阀盖上焊接一块平板.如何使驱动装置坚固可*取决于设计者的措施。连接方式见图2.它包括最初的紧固螺母结构，其它的方式有；将驱动装置根据和阀盖法兰螺栓相接或压扳放于用螺栓固定阀盖的位置上使驱动装置紧固，或者通过阀盖法兰用螺栓直接固定在支架上。 　　驱动装置设计中根据抗地震的基本原则也也进行了部分修改.这些原则包括尽可能提高强度，减轻重量和降低整体的重心。尽管(这将在后就讨论)这些改变的目的不是讨论起来十分简单，但实际上这些原则执行起来却十分困难。例如：为了提高强度就必须增加材料(增加质量)，因为动力源必须支架腿支撑，重心也只能降低到有限的程度，很多情况下为了适应抗地震必要条件就必须用结构钢安装驱动装置或额外增加支撑。 　　通常的情形是.一个给定尺寸的标。准驱动装置必有一个在1OHz范围内的固定频率，为了抗地震需要而重新设计驱动装置几乎是进行一个全新的设计。增加基座使用螺栓固定阀盖。支架由结构钢制成。主要是槽钢，这是为了提高强度。在强度低的隔板箱上增设加同板，以消除弯曲，通过去掉多余的材料使重心降低。结果使驱动装置在同样的阀门上有相同的功能。它的同有频率完全在33Hz之上。为了满足核电站抗地震条件要求，控制阀驱动装置经历丁相当大的结构改进。这些改进包括材料、连接方式和总体结构的设计，结果是常常用一种类型的设汁和—项工程改革，就能满足工业产口的需要。 　　驱动装置附件： 　　驱动装置附件常见在类似弹簧膜片驱动的或气缸驱动的这些气动装置上，固定在驱动装置上的附件类型包括：限位开关，电磁阀、定位器，空气过滤调节器、空气升压器和电动气动传感器。附件的数量和类型以阀门的功能和使用者的需要为准。电和电磁液压驱动装置附件通常包括在驱动装置结构中，因此很少有问题。除此之外.它们不需要像空气接收器、电磁阀和空气升压器之类设备同时也不需要那些紊乱的气体管路。 　　在气动装置上这些附件同驱动装置相比尺寸都比其要小，这就是说附件的安装不会显著影响整个阀门部件的动力学特性。然而附件和它们的固定设备对阀门的抗地震能力确实有一定影响。 　　例如：考虑到限位开关的安装，如果用一种弹性的方式安装，它就会失去与阀杆连接，因此就会结控制室传导一个错误的信号。或者是将空气接收器和电磁阀的挠性连接。挠性连接和它固有的大的偏移将不会产生像限位开关的固定而导致的错误信号，但是它能使连接的铜管工作险难和断裂.因此使阀¨不能工作，对于控制阀的抗地震要求来说。产生躇误信号、气体管路的断裂和别的事件的发生是不合格的。 　　附件的设计和安装也必须根据驱动装置的抗地震结构的原则：1)保持足够高的硬度；2)有最小的体积；3)为了保持低重心，使有效的重量尽可能低。 　　 通常附件的结构改变主要是利用安装架，对于一般工业来说仅有的要求是固定元件使其能够工作并能承受装运、安装和正常操作，然而对于核电站的应用就不够了。 　　举一个例子，图3a中的安装架定位器是用于一般工业的，制作它很容易并能很好地完成工作，但地震试验结果显示在地震状况下将会发生过多的偏移， “一般工业用”的安装架在硬度上不能满足核电站的抗地震要求。图3b则表示了在一般工业用的安装架上焊接一个角板，这些角板保证了强度，使偏移降到最小。为满足抗地震要求对控制阀附件已进行了设计上的改变，这些附件最明显的改变是重新设计安装架，其结果证明在震中产生的位移最小。 　　前景： 　　核电站抗地震要求的进展是很难于预测的，同样，控制阀将来的设计改进也是难以预测的，但可以预测将来的发展不会像以前那样快。 　　已证明现存设备的抗地震情况和当前设计对早期设计进行不大的改进是可能的，所有正在运行的核电站证明涉及安全的电设备能承受热、辐射和潮湿的影响(据10CFR50、49)，许多设备已被“经检定”的设备替代。以后的产品将注明合格的抗地震设备，这对于最被建立的设有抗地震要求的老核电站或微型设备在设计中的增强是特别重要的。 　　也许新的抗地震设计设备将替代老设备，铸铁驱动装置将被铸钢替代，紧固螺栓连接方式将替代紧固螺母连接方式，设备限制低的加速率并且又有小的固有频率条件将被坚同阀¨替代而且附件限制在3.Og或4.5g输入加速度的水平上。 　　结束语： 　　核电站中抗地震设备的安装是十个发展的过程，为适应这些要求控制阀的设计也得到发展。控制阀制造商为了满足买主的需要既说，明了产品的结构设计又注明了功能设计。尽管抗地震限制条件的改进情况比以前变慢了，老核电站的拥有者也许需要用新的抗地震设备代替旧的设备，对他们来说为了满足今天的抗地震限制条件，这些改进是必要的。