核電站控制閥抗進(jìn)行一次抗震變革

    核電站用控制閥必須能承受地震的影響，美國(guó)聯(lián)邦管理法規(guī)上就關(guān)于本國(guó)核電站的設(shè)計(jì)、建筑和運(yùn)轉(zhuǎn)等一系列廣泛論題規(guī)定了必要條件。10CFFR50是“美國(guó)聯(lián)邦設(shè)備生產(chǎn)和使用許可證”的代稱，其附錄A中列出了“核電站通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”(GDC)。GDC一2中有一段中說：“核電站結(jié)構(gòu)，裝置和元件必須設(shè)計(jì)成能承受如地震、龍卷風(fēng)、飚風(fēng)…之類自然現(xiàn)象的影響”。別的GDC也可作為指示設(shè)備抗地震和動(dòng)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。

   這類未作詳細(xì)說明的通用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上無法執(zhí)行。隨著核工業(yè)的成熟，核電站設(shè)備的抗地震設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)控制閥的改進(jìn)中有了一席之地。核能調(diào)節(jié)委員會(huì)(NRC)發(fā)布了“標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方案”和“標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)指導(dǎo)。”各工業(yè)組織也發(fā)布了稱為NRC要求標(biāo)準(zhǔn)的一系列法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。建筑設(shè)計(jì)師和公用事業(yè)也開始發(fā)布有關(guān)法規(guī)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)指導(dǎo)，標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方案和許可證的申請(qǐng)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(jìn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。  

    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(jù)該法規(guī)，如果管線和閥體都是根據(jù)法規(guī)所設(shè)計(jì)的，而制造者能顯示出閥門中最弱的部分也比管線強(qiáng)度高，那么這閥門就認(rèn)J是合格的。這主要應(yīng)表現(xiàn)出閥門的剖面積和剖面膜數(shù)值至少要比管線的那些高10%。如果管線和閥門的材質(zhì)不同，那就要考慮它們之間所能承受壓力的差別。(根據(jù)ASMEIll、NCl／ND3S21)。

    對(duì)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(shí)；典型的情況是閥門強(qiáng)度要比與之連接的管線高300%～400%，世當(dāng)使用漸縮管或閥門比管線尺寸小2倍或更多時(shí)。就產(chǎn)生問題了。這個(gè)問題可以用幾種方式減緩，一種簡(jiǎn)單的方式是將閥門內(nèi)件面積縮減至與管線尺寸相同少這種簡(jiǎn)易的方式有其所取之處，因?yàn)橛靡粋€(gè)大尺寸的閥門就意味著更高的成本。另一個(gè)方法是從買主那了解管線負(fù)荷和施行應(yīng)力分析。自然.施行應(yīng)力分析也會(huì)增加生產(chǎn)成本，特別是如果應(yīng)用計(jì)算機(jī)方法逐一限定的元件。第3種解決方式是用高壓力系數(shù)的閥體(也就是說用ANSl600級(jí)而不是用15Q級(jí))，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(dāng)然，這幾種方式結(jié)合在一起可以達(dá)到最佳效果。

    一般來說，控制閥閥體的結(jié)，構(gòu)不需要有更多的改變就適應(yīng)抗地震的要求，通常閥體比管線強(qiáng)度高，而采用應(yīng)力分析的方法也很簡(jiǎn)單。偶爾也需要利用一些技術(shù)改造，利用選擇閥門尺寸和壓力系數(shù)同時(shí)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(diǎn)看.閥蓋可以視為一個(gè)“中間支撐結(jié)構(gòu)”。管線系統(tǒng)的地震運(yùn)動(dòng)必須經(jīng)過閥蓋方能到達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置。因此.閥蓋必須能承受住驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力學(xué)作用。對(duì)于它自身，閥蓋是閥門中一個(gè)非常強(qiáng)的部分，然而因?yàn)樗陨淼幕窘Y(jié)構(gòu)，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(gè)附錄通常是為管線法蘭的分析準(zhǔn)備的，但被公認(rèn)為可以做閥蓋法蘭的分析。任何位于驅(qū)動(dòng)裝置上的因地震導(dǎo)致的彎曲力解波轉(zhuǎn)換成一種“高值壓力”簡(jiǎn)稱eq.一從而增加了閥門的設(shè)計(jì)壓力，閥蓋和體蓋螺栓就必須能承受住這種增加的法蘭結(jié)構(gòu)壓力，Pfd=Pd+Peq。).如果用更復(fù)雜的方法計(jì)算壓力，那么計(jì)算壓力將更高。因?yàn)殚y蓋是比需要的壓力強(qiáng)許多，所以計(jì)算壓力通常在限定的許可范圍之l內(nèi)。

    閥蓋必須能支撐住固定在其上的驅(qū)動(dòng)裝置人選些驅(qū)動(dòng)裝置常常很大而從閥蓋上延伸到一個(gè)顯著的位置上，一個(gè)閥門驅(qū)動(dòng)裝置也許對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著明顯的動(dòng)力影響。正是這些動(dòng)力因素導(dǎo)致了閥蓋結(jié)構(gòu)的絕大部分改變，這些結(jié)構(gòu)的改變包括增加管壁和法蘭厚度和重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(jiān)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。
  
    驅(qū)動(dòng)裝置附件：

    驅(qū)動(dòng)裝置附件常見在類似彈簧膜片驅(qū)動(dòng)的或氣缸驅(qū)動(dòng)的這些氣動(dòng)裝置上，固定在驅(qū)動(dòng)裝置上的附件類型包括：限位開關(guān)，電磁閥、定位器，空氣過濾調(diào)節(jié)器、空氣升壓器和電動(dòng)氣動(dòng)傳感器。附件的數(shù)量和類型以閥門的功能和使用者的需要為準(zhǔn)。電和電磁液壓驅(qū)動(dòng)裝置附件通常包括在驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)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(shè)備同時(shí)也不需要那些紊亂的氣體管路。

    在氣動(dòng)裝置上這些附件同驅(qū)動(dòng)裝置相比尺寸都比其要小，這就是說附件的安裝不會(huì)顯著影響整個(gè)閥門部件的動(dòng)力學(xué)特性。然而附件和它們的固定設(shè)備對(duì)閥門的抗地震能力確實(shí)有一定影響。

    例如：考慮到限位開關(guān)的安裝，如果用一種彈性的方式安裝，它就會(huì)失去與閥桿連接，因此就會(huì)結(jié)控制室傳導(dǎo)一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào)?；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(huì)產(chǎn)生像限位開關(guān)的固定而導(dǎo)致的錯(cuò)誤信號(hào)，但是它能使連接的銅管工作險(xiǎn)難和斷裂.因此使閥¨不能工作，對(duì)于控制閥的抗地震要求來說。產(chǎn)生躇誤信號(hào)、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(shè)計(jì)和安裝也必須根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的抗地震結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改變主要是利用安裝架，對(duì)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(yùn)、安裝和正常操作，然而對(duì)于核電站的應(yīng)用就不夠了。

    舉一個(gè)例子，圖3a中的安裝架定位器是用于一般工業(yè)的，制作它很容易并能很好地完成工作，但地震試驗(yàn)結(jié)果顯示在地震狀況下將會(huì)發(fā)生過多的偏移，“一般工業(yè)用”的安裝架在硬度上不能滿足核電站的抗地震要求。圖3b則表示了在一般工業(yè)用的安裝架上焊接一個(gè)角板，這些角板保證了強(qiáng)度，使偏移降到最小。為滿足抗地震要求對(duì)控制閥附件已進(jìn)行了設(shè)計(jì)上的改變，這些附件最明顯的改變是重新設(shè)計(jì)安裝架，其結(jié)果證明在震中產(chǎn)生的位移最小。
    閥門驅(qū)動(dòng)裝置：

    閥門驅(qū)動(dòng)裝置是最受核動(dòng)力工業(yè)抗地震限定條件影響的控制閥部件，曾一度被認(rèn)為本質(zhì)上簡(jiǎn)單的控制閥驅(qū)動(dòng)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(jìn)是同樣困難的。正像閥門_中別的部分一樣，驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)已基本上十幾年保持不變了；它的設(shè)計(jì)能力已在以礦物燃料為動(dòng)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(yīng)用中得到證明，直到閥門制造商不得不通過檢驗(yàn)證明抗地震要求.才有了設(shè)計(jì)上的改變。

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

    在大多數(shù)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?yàn)楸仨毘惺芟竦卣疬@樣的動(dòng)力負(fù)荷的需要.就必須改變?cè)O(shè)計(jì)。首先改變的是材質(zhì)，最初所用的材質(zhì)一鑄鐵非常適合最初的設(shè)計(jì)負(fù)荷，即主要的驅(qū)動(dòng)一裝置推力。鑄鐵有一個(gè)問題，它很脆的材料對(duì)于大的沖擊負(fù)荷和低轉(zhuǎn)疲勞負(fù)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(gè)改變是容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和模具都是相同的.機(jī)加工也是相同的，只是材料改變而已。

    下一個(gè)改變就比較困難，許多抗地震檢驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)支架和閥蓋的連接必須重新設(shè)計(jì)，緊固螺母比起初的設(shè)計(jì)性能要高，然而抗地震檢驗(yàn)的動(dòng)力負(fù)荷情況結(jié)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(qū)動(dòng)裝置的推力負(fù)荷，因?yàn)樗薪M件都是受一壓力作用，然而，在驅(qū)動(dòng)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(jiān)固程度。
其次，緊固螺母在抗地震檢驗(yàn)中傾向于松動(dòng).一次地震試驗(yàn)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(dòng)不像鑄鐵的斷裂那樣是災(zāi)難性的。盡管如此，在緊固螺母這樣的關(guān)鍵部位的松動(dòng)也是不允許的。同時(shí)，緊固螺母的松動(dòng)也有其它問題，它意味著支架和閥蓋間的連接一旦松動(dòng).驅(qū)動(dòng)裝置接著就可能繞著閥桿軸線偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致像限位開關(guān)和定位器元件的位移而造成失控。

    驅(qū)動(dòng)裝置和閥蓋兩者在連接上都做了改進(jìn)，設(shè)計(jì)的基本思想是在支架和閥蓋問提供一個(gè)大的接觸面，提供一個(gè)防止驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)和連接處的松動(dòng)，使支架和閥蓋間的連接更堅(jiān)同。在閥蓋和支架間提供一個(gè)大的接觸向的設(shè)計(jì)是相當(dāng)容易的。閥蓋的澆鑄模型做了臨時(shí)或永久地改進(jìn)，以提供一個(gè)緊固驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置堅(jiān)固可*取決于設(shè)計(jì)者的措施。連接方式見圖2.它包括最初的緊固螺母結(jié)構(gòu)，其它的方式有；將驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)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(qū)動(dòng)裝置緊固，或者通過閥蓋法蘭用螺栓直接固定在支架上。

    驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中根據(jù)抗地震的基本原則也也進(jìn)行了部分修改.這些原則包括盡可能提高強(qiáng)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(jiǎn)單，但實(shí)際上這些原則執(zhí)行起來卻十分困難。例如：為了提高強(qiáng)度就必須增加材料(增加質(zhì)量)，因?yàn)閯?dòng)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(yīng)抗地震必要條件就必須用結(jié)構(gòu)鋼安裝驅(qū)動(dòng)裝置或額外增加支撐。

    通常的情形是.一個(gè)給定尺寸的標(biāo)。準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)裝置必有一個(gè)在1OHz范圍內(nèi)的固定頻率，為了抗地震需要而重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置幾乎是進(jìn)行一個(gè)全新的設(shè)計(jì)。增加基座使用螺栓固定閥蓋。支架由結(jié)構(gòu)鋼制成。主要是槽鋼，這是為了提高強(qiáng)度。在強(qiáng)度低的隔板箱上增設(shè)加同板，以消除彎曲，通過去掉多余的材料使重心降低。結(jié)果使驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置經(jīng)歷丁相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。這些改進(jìn)包括材料、連接方式和總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)果是常常用一種類型的設(shè)汁和—項(xiàng)工程改革，就能滿足工業(yè)產(chǎn)口的需要。

     抗地震限制的必要條件(SQR)

    早期，大部分設(shè)備被限定使用靜態(tài)的分析方式，與復(fù)雜的建筑及其它結(jié)構(gòu)相比這對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)加速率為基礎(chǔ)或甚至是以場(chǎng)地而不是以管線系統(tǒng)的反應(yīng)加速率為基礎(chǔ)，但仍然沒有標(biāo)準(zhǔn)。

    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(lǐng)會(huì)和職業(yè)團(tuán)體，對(duì)閥門制造者最有影響的兩個(gè)協(xié)會(huì)是“美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)”(ASME)和“電與電子協(xié)會(huì)(IEEE)。ASME中有關(guān)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?jī)?nèi)容出版發(fā)行，在以后6個(gè)月中又做了數(shù)次修改。然而，ASME--IlI中僅指明了閥門的壓力范圍。根據(jù)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(duì)于閥門的其余部分即附件和驅(qū)動(dòng)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(shè)備運(yùn)行的能力。

    為了表明在地震中和地震后設(shè)備運(yùn)行的能力，就必須制訂別的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE一344是最受公認(rèn)的設(shè)備抗地震用參考標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)明其適用于機(jī)電設(shè)備上，但其通常被公認(rèn)為適用于所有設(shè)備的抗地震限定條件標(biāo)準(zhǔn)。NRC的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方案討論了機(jī)電設(shè)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(jī)電設(shè)備的抗震要求。

    后來，直到IEEE一382在1972年首次發(fā)布時(shí)，閥門驅(qū)動(dòng)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(shí)它只是規(guī)定了閥門電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的限定(在地震環(huán)境中)而對(duì)于彈性隔膜驅(qū)動(dòng)裝置，汽缸驅(qū)動(dòng)裝置，液壓驅(qū)動(dòng)裝置等沒有特別的限定標(biāo)準(zhǔn)。于1980年發(fā)布的IEEE一382改變了這種現(xiàn)象，它包括了全部各種驅(qū)動(dòng)裝置的限定標(biāo)準(zhǔn)IEEE一382--1990--閥門驅(qū)動(dòng)裝置安全條件IEEE標(biāo)準(zhǔn)”中說明“該規(guī)范適用于所有類型的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的閥門驅(qū)動(dòng)裝置”。

    IEEE一344和IEEE一382是最為廣泛被公認(rèn)的關(guān)于閥門或閥門驅(qū)動(dòng)裝置抗地震的標(biāo)準(zhǔn)，還育許多別的標(biāo)誰也被公布或是得到了不同的發(fā)展。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)很難如上述兩者那樣得到廣泛的承認(rèn)，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)中很難使人對(duì)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(shù)和設(shè)計(jì)要求，這些標(biāo)準(zhǔn)被列到附錄A中。

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