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核电站控制阀抗地动结构的革新[宁静阀]

  [宁静阀]在已往五十年中 ,自动控制阀的基本功用没有变革。只是在牢固的基天性能上有所提高如增加流量系数 ,减少噪音 ,减少 气蚀和革新流量特性。然而结构设计特性的改变十分缓慢。直到核能的泛起 ,才使阀门制造者在阀门设计时不得不考虑到像地动这类外界力量生的影响。本论文从抗地动设计的看法讨论了控制阀的革新 ;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蒙受地动的影响。事实上 ,这是美国联邦治理规则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划定了须要条件。

    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蒙受如地动、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动和动力限制的须要条件的参考。这些包括GDC一 1  ,一 4  ,一 14 和一 30 。 本文由上海凯发k8国际阀门有限公司转载分享 ,上海凯发k8国际阀门有限公司专业从事宁静阀生产的厂家、主要生产种种型号规格的宁静阀 ,弹簧式宁静阀 ,宁静阀型号 ,衬氟宁静阀 ,空压机宁静阀 ,并终身为使用单位提供相关产品技术支持。销售热线:021-69783299  官方网站:

  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 ,核电站设备的抗地动设计和剖析也就随之明确 ,所有工业部分提出的这些GDC在今天的抗地动设计控制阀的革新中有了一席之地。核能调理委员会(NRC)宣布了“标准检验计划”和“标准调理指导。”各工业组织也宣布了称为“NRC”要求标准的一系列规则和标准。建筑设计师和公用事业也开始宣布有关规则 ,对标准调理指导 ,标准检验计划和许可证的申请都有明确的要求。最后。控阀制造者为满足 工业上抗地动 限制条件而革新了产品结构设计。 

    抗地动限制的须要条件

  起初 ,控制阀说明书中有关抗地动须要条件通常很少 ,只是简单性地说一些如“这些阀门能经受住地动、龙卷风等自然现象影响”或“这些阀门在设计中考虑了地舆的影响” ,通常在这些条件中都没有定量的数值。与之形成比照的是 ,今天的说明书中有关抗地动件部分在划定可接受的限制方法 ,设备必须限制的加速率是十分精确。在很早期的工厂中 ,抗地动设计须要条件只是认为当设备 安顿在一个很活跃的地动带时方是必须的。在那些工厂中设备和建筑都是凭据建筑规则(VBC)的要求设计的 ,是接纳静态的剖析技术。由1965年的抗地动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动可能在任何一个地方爆发 ,岂论是在地中震频繁的地区照旧只是在历史上一经爆发过的地方 ,都有可能爆发地动。爆发于写 萨诸塞州(1755年) ;密苏里洲(1812年)南卡罗来纳(1876年)的频频大地动证明在核电站的设计中应考虑抗地动设计。 

  早期 ,大部分设备被限定使用静态的剖析方法 ,与庞大的建筑及其它结构相比这关于结构简单的控制阀是适用的。用于这些剖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园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。

    在生长的前期 ,专业组织为了核工业的特殊需要而建立了 种种委 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年这部分成了规则草案的雏形 ,并于1971年第一次用它的全部内容出书刊行 ,在以后6个月中又做了数次修改。然而 ,ASME—但IlI中仅指明了阀门的压力规模。凭据其界说 ,只是有阀体、阀盖、阀杆和连接体盖的螺栓的压力规模关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 ,在规则中只涉及压力界线完整性而没有涉及设备运行的能力。

    为了标明在地动中和地动后设备运行的能力 ,就必须制订别的标准。 IEEE一 344是最受公认的设备抗地动用参考标准。在1971年首次宣布 ,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动限定条件标准。NRC的标准检验计划3.10中讨论了机电设备的抗地动条件 ,在SRP少3.10中NRC剖析IEEE一 344 适用于所有类型的机电设备的抗震要求。 

  厥后 ,直到 IEEE一 382在1972年首次宣布时 ,阀门驱动装置或阀门组件的抗地动限定要求才有一些划定。然而 ,那时它只是划定了阀门电动驱动装置的限定(在地动情况中)而关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年宣布的IEEE一厂382 改变了这种现象 ,它包括了全部种种驱动装置的限定标准IEEE一 382—1990“阀门驱动装置宁静条件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动的标准 ,还 育许多别的标准也被宣布或是获得了差别的生长。然而 ,这些标准很难如上述两者那样获得广泛的认可 ,因为这些标准中很难使人关于他们的须要条件有清楚的理解 ,而险些不可包管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正的位置上。虽然 ,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动要求 ,这是一个制动装置一力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华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华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动规范待以生长。

  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响。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。在这种方法下任何 建筑或管线都被认为具有低于33Hz ,不然就不可蒙受地动的共振谐率。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动输入的管线系统的动态特性E抵达某个值。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 ,阀门抗地动设计条件的 ,生长是从一般设计准则到工业的规则和标准。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频率规模之内3.0g的或4.5g的输入加速度。

  研究控制阀抗地动结构革新的最好要领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 ,如果管线系统切合要求 ,阀门也一定切合要求。这正是 ASME规则的 编青所 论述 ”的。凭据该规则 ,如果管线和阀体都是凭据规则所设计的 ,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是及格的。这主要应体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差别 ,那就要考虑它们之间所能蒙受压力的差别。(凭据 ASMEIll 、 NCl /ND3S21)。 

  关于同样管线尺寸的阀门和管线来说 ,可以毫无疑问证明是切合要求时 ;典范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。就爆发问题了。这个问题可以用几种方法减缓 ,一种简单的方法是将阀门 内件面积 缩减至与管线尺寸相同 少这种简易的方法有其所取之处 ,因为用一个大尺寸的阀门就意味着更高的本钱。另一个要领是从买主 那了解管线负荷和施行应力剖析。自然.施行应力剖析也会增加生产本钱 ,特别是如果应用盘算秘密领逐一限定的元件。第3种解决方法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 ,使金属质料增加 ,但可能比用大尺寸阀门的本钱要低。虽然 ,这几种方法结合在一起可以抵达最佳效果。 

   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动的要求 ,通常阀体比管线强度高 ,而接纳应力剖析的要领也很简单。偶尔也需要利用一些技术革新 ,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动要求。

    阀盖: 

  从抗地动 剖析的看法看. 阀盖可以 视为一个“中间支撑结构”。管线系统的地动运动必须 经过阀盖方 能抵达驱动装置。因此. 阀盖必须能蒙受住驱动装置的动力学作用。关于它自身 , 阀盖是 阀门中一个很是强的部分 ,然而因为它自身的基本结构 ,它很难精确地剖析。 

  大部分 控制阀阀盖用 ASME 一 Ⅲ中的附录X1剖析 ,尽管这个附录通常是为管线法兰的剖析准备的 ,但被公认为可以 做阀盖法兰的剖析。任何位于驱动装置上的因地动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蒙受住这种增加的法兰结构压力 ,Pfd=Pd + Peq 。).如果用更庞大的要领盘算压力 ,那么盘算压力将更高。因为 阀盖是比需要的压力强许多 ,所以盘算压力通常在限定的许可规模之l内。 

  阀盖必须能支撑住牢固在其上的驱动装置人选些驱动装置经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 连接方法少受力状态 ,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坚持得尽可能高。 

    阀门驱动装置: 

  阀门驱动装置是最受核动力工业抗地动限定条件影响的控制阀部件 ,曾一度被认为实质上简单的控制阀驱动装置已被其自身证明做样品剖析和为了增加固有频率而做的革新是同样困难的。正像阀门线_中别的部分一样 ,驱动装置结构已基本上十几年坚持稳定了 ;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巨细小的轮船上的多年应用中获得证明 ,直到阀门制造商不得欠亨过检验证明抗地动要求.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牢固在阀盖上 ,以提供一个连接阀杆和驱动装置的位置、以及提供一个用来装置附件的位置(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 ,典范的类型是弹簧膜板、气缸、液压千斤顶和电机。 

  在大大都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 ,然而因为必须蒙受像地动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 铸铁很是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质料关于大的攻击负荷和 低转疲劳负荷损坏很是敏感 ,因此将铸铁质料改为铸钢质料、通常是ASTM一 216WCB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 ,只是质料改变罢了。 

  下一个改变就比较困难 ,许多抗地动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 ,然而抗地动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坚持尽可能高的支架的坚固水平。 

  其次 ,紧固螺母在抗地动检验中倾向于松动.一次地动试验的历程要比任何一次可能遇到的地动都剧烈 ,并且这种松动不像铸铁的断裂那样是灾难性的。尽管如此 ,在紧固螺母这样的要害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 ,它意味着支架和式阀盖间 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 在连接上都做了革新 ,设计的基本思想是在支架和 阀盖问提供 一个大的接触面 ,提供一个避免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革新 ,以提供一个紧固驱动装置的牢固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*取决于设计者的步伐。连接方法见图2.它包括最初的紧固螺母结构 ,其它的方法有 ;将驱动装置凭据 和阀盖法兰 螺栓相接 或压扳 放于用螺栓 牢固阀盖的 位置上使驱动装置紧固 ,或者 通过阀盖法兰用螺栓直接牢固在支架上。 

  驱动装置设计中凭据抗地动的基来源则也 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质料 (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水平 ,许多情况下为了适应抗地动须要条件就必须用结构钢装置驱动装置或特别增加支撑。 

  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规模内的牢固频率 ,为了抗地动需要而重新设计驱动装置险些是进行一个全新的设计。增加基座使用螺栓牢固阀盖 。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 ,通已往掉多余的质料使重心降低。结果使驱动装置在同样的阀门上有相同的功效。它的同有频率完全在33Hz之上。为了满足核电站抗地动条件要求 ,控制阀驱动装置经历 丁相当 大的结构革新。这些革新包括质料、连接方法和总体结构的设计 ,结果是经常用一种类型的设汁和—项 工程革新 ,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 ,牢固在驱动装置上的附件类型包括:限位开关 ,电磁阀、定位器 ,空气过滤调理器、空气升压器和电动气动传感器。附件的数量和类型以阀门可的功效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 ,这就是说附件的装置不会显著影响整个阀门部件的动力学特性。然而附件和它们的牢固设备对阀门的抗地动能力确实有一定影响。

    例如:考虑到限位开关的装置 ,如果用一种弹性的方法装置 ,它就会失去与阀杆连接 ,因此就会结控制室传导一个过失的信号 ;蛘呤墙掌邮掌骱偷绱欧У哪有粤。挠性连接和它固有的大的偏移将不会爆发改像限 位开关的牢固而导致的过失信号 ,可是它能使连接的铜管事情险难和断裂.因此使阀¨不可事情 ,关于控制阀的抗地动要求来说。爆发过失信号、气体管路的断裂和别的事件的爆发是缺乏格的。 

  附件的设计和装置也必须凭据驱动装置的抗地动结构的原则: 1)坚持足够高的硬度 ;2)有最小的体积 ;3)为了坚持低重心 ,使有效的重量尽可能低。 

  通常附件的结构改变主要是利用装置架 ,关于一般工业来说仅有的要求是牢固元件使其能够事情并能蒙受装运、装置和正常操作 ,然而关于核电站的应用就不敷了。 

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