核電站控制閥抗地震結(jié)構(gòu)的逐步改進
在過往五十年中，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進步如增加流量系數(shù)，減少噪音，減少氣蝕和改進流量特性。然而結(jié)構(gòu)設(shè)頰關(guān)性的改變十分緩慢。直到核能的出現(xiàn)，才使閥門制造者在閥門設(shè)計時不得不考慮到像地震這類外界氣力產(chǎn)生的影響。本論文從抗地震設(shè)計的觀點討論了控制閥的改進；諸如材質(zhì)的選用，驅(qū)動裝置設(shè)計和結(jié)構(gòu)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(lián)邦治理法規(guī)上就關(guān)于本國核電站的設(shè)計、建筑和運轉(zhuǎn)等一系列廣泛論題規(guī)定了必要條件。10CFFR50是“美國聯(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)計標準”(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)計成能承受如地震、龍卷風、飚風…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，但這類未作具體說明的通用標準實際上無法執(zhí)行。隨著核產(chǎn)業(yè)的成熟，核電站設(shè)備的抗地震設(shè)計和分析也就隨之明確，所有產(chǎn)業(yè)部分提出的這些GDC在今天的抗地震設(shè)計控制閥的改進中有了一席之地。核能調(diào)節(jié)委員會(NRC)發(fā)布了“標準檢驗方案”和“標準調(diào)節(jié)指導�！备鳟a(chǎn)業(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(shè)計師和公用事業(yè)也開始發(fā)布有關(guān)法規(guī)，對標準調(diào)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�？亻y制造者為滿足產(chǎn)業(yè)上抗地震限終輥件而改進了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。襯氟蝶閥
抗地震限制的必要條件(SQR)
起初，控制閥說明書中有關(guān)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(jīng)受住地震、龍卷風等自然現(xiàn)象影響”或“這些閥門在設(shè)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(shù)值。與之形成對比的是，今天的說明書中有關(guān)抗地震條件部分在規(guī)定可接受的限制方式，設(shè)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(shè)計必要條件只是以為當設(shè)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(shè)備和建筑都是根據(jù)建筑法規(guī)(VBC)的要求設(shè)計的，是采用靜態(tài)的分析技術(shù)。由1965年的抗地震設(shè)計內(nèi)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(jù)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(jīng)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)的幾次大地震證實在核電站的設(shè)計中應(yīng)考慮抗地震設(shè)計。
早期，大部分設(shè)備被限定使用靜態(tài)的分析方式，與復雜的建筑及其它結(jié)構(gòu)相比這對于結(jié)構(gòu)簡單的控制閥是適用的。用于這些分析的輸進加速率通常以建立反應(yīng)加速率為基礎(chǔ)或甚至是以場地而不是以管線系統(tǒng)的反應(yīng)加速率為基礎(chǔ)，但仍然沒有標準。
在發(fā)展的前期，專業(yè)組織為了核產(chǎn)業(yè)的特殊需要而建立了各種委領(lǐng)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(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內(nèi)容出版發(fā)行，在以后6個月中又做了數(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于閥門的其余部分即附件和驅(qū)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(shè)備運行的能力。
為了表明在地震中和地震后設(shè)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(shè)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(shè)備上，但其通常被公以為適用于所有設(shè)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(shè)備的抗地震條件，在SRP 3.10中NRC闡明IEEE一344適用于所有類型的機電設(shè)備的抗震要求。
后來，直到IEEE一382在1972年首次發(fā)布時，閥門驅(qū)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(qū)動裝置的限定(在地震環(huán)境中)而對于彈性隔膜驅(qū)動裝置，汽缸驅(qū)動裝置，液壓驅(qū)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(xiàn)象，它包括了全部各種驅(qū)動裝置的限定標準IEEE一382—1990“閥門驅(qū)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(qū)動的閥門驅(qū)動裝置”。
IEEE一344和IEEE一382是最為廣泛被公認的關(guān)于閥門或閥門驅(qū)動裝置抗地震的標準，還育很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，由于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(shù)和設(shè)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(guān)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(shè)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)定案之前具體說閥門的抗地震要求，這是一個制動裝置一22逐一管線系統(tǒng)設(shè)計著只有在知道閥門將怎樣反應(yīng)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(yīng)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(shè)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。它被要求這樣做是由于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以為具有低于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(shè)計者是需在它的系統(tǒng)中考慮閥門的質(zhì)量。作為回報，管線系統(tǒng)設(shè)計者同意限制成為閥門地震輸進的管線系統(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進加速度，依據(jù)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(shè)頰輥件的，發(fā)展是從一般設(shè)計準則到產(chǎn)業(yè)的法規(guī)和標準。最后技術(shù)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(nèi)3.0g的或4.5g的輸進加速度。
研究控制閥抗地震結(jié)構(gòu)改進的最好方法是逐一研究它的主要零部件，這些部件見圖1；它們是閥體、閥蓋、與閥蓋相連的驅(qū)動裝置和裝置驅(qū)動裝置之上的驅(qū)動裝置附件。
閥體：
閥體是必不可少的管線系統(tǒng)理，假如管線系統(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)，假如管線和閥體都是根據(jù)法規(guī)所設(shè)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(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%。假如管線和閥門的材質(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)。
對于同樣管線尺寸的閥門和管線來說，可以毫無疑問證實是符合要求時；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(chǎn)生題目了。這個題目可以用幾種方式減緩，一種簡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易的方式有其所取之處，由于用一個大尺寸的閥門就意味著更高的本錢。另一個方法是從買主那了解管線負荷和施行應(yīng)力分析。自然.施行應(yīng)力分析也會增加生產(chǎn)本錢，特別是假如應(yīng)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(shù)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本錢要低。當然，這幾種方式結(jié)合在一起可以達到最佳效果。
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，通常閥體比管線強度高，而采用應(yīng)力分析的方法也很簡單。偶然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(jié)構(gòu)”。管線系統(tǒng)的地震運動必須經(jīng)過閥蓋方能到達驅(qū)動裝置。因此.閥蓋必須能承受住驅(qū)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，然而由于它自身的基本結(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，盡管這個附錄通常是為管線法蘭的分析預備的，但被公以為可以做閥蓋法蘭的分析。任何位于驅(qū)動裝置上的因地震導致的彎曲力解波轉(zhuǎn)換成一種“高值壓力”簡稱eq.一從而增加了閥門的設(shè)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(jié)構(gòu)壓力，Pfd=Pd + Peq。).假如用更復雜的方法計算壓力，那么計算壓力將更高。由于閥蓋是比需要的壓力強很多，所以計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)動裝置人選些驅(qū)動裝置經(jīng)常很大而從閥蓋上延伸到一個明顯的位置上，一個閥門驅(qū)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(jié)構(gòu)的盡大部分改變，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)計驅(qū)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(qū)動裝置：
閥門驅(qū)動裝置是最受核動力產(chǎn)業(yè)抗地震限定條件影響的控制閥部件，曾一度被以為本質(zhì)上簡單的控制閥驅(qū)動裝置已被其自身證實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(qū)動裝置結(jié)構(gòu)已基本上十幾年保持不變了；它的設(shè)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(yīng)用中得到證實，直到閥門制造商不得不通過檢驗證實抗地震要求.才有了設(shè)計上的改變。
一個驅(qū)動裝置有兩個基本部件，支架和動力裝置，支架用于將驅(qū)動裝置固定在閥蓋上，以提供一個連接閥桿和驅(qū)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(qū)動裝置中的限位開關(guān)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(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，然而由于必須承受像地震這樣的動力負荷的需要.就必須改變設(shè)計。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)計負荷，即主要的驅(qū)動一裝置推力。鑄鐵有一個題目，它很脆的材料對于大的沖擊負荷和低轉(zhuǎn)疲憊負荷損壞非常敏感，因此將鑄鐵材料改為鑄鋼材料、通常是ASTM一216 WCB型，這個改變是輕易實現(xiàn)的，由于設(shè)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，很多抗地震檢驗的結(jié)果證實支架和閥蓋的連接必須重新設(shè)計，緊固螺母比起初的設(shè)計性能要高，然而抗地震檢驗的動力負荷情況結(jié)果中顯露出一些題目：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)動裝置的推力負荷，由于所有組件都是受一壓力作用，然而，在驅(qū)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碰到的地震都劇獵冬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(guān)鍵部位的松動也是不答應(yīng)的。同時，緊固螺母的松動也有其它題目，它意味著支架和閥蓋間的連接一旦松動.驅(qū)動裝置接著就可能繞著閥桿軸線偏轉(zhuǎn)，從而導致像限位開關(guān)和定位器元件的位移而造成失控。
驅(qū)動裝置和閥蓋兩者在連接上都做了改進，設(shè)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(qū)動裝置轉(zhuǎn)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(shè)計是相當輕易的。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(qū)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(qū)動裝置堅固可*取決于設(shè)計者的措施。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)動裝置設(shè)計中根據(jù)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進步強度，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：為了進步強度就必須增加材料(增加質(zhì)量)，由于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(yīng)抗地震必要條件就必須用結(jié)構(gòu)鋼安裝驅(qū)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(qū)動裝置必有一個在1OHz范圍內(nèi)的固定頻率，為了抗地震需要而重新設(shè)計驅(qū)動裝置幾乎是進行一個全新的設(shè)計。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，這是為了進步強度。在強度低的隔板箱上增設(shè)加同板，以消除彎曲，通過往掉多余的材料使重心降低。結(jié)果使驅(qū)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(qū)動裝置經(jīng)歷丁相當大的結(jié)構(gòu)改進。這些改進包括材料、連接方式和總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)果是經(jīng)常用一種類型的設(shè)汁和—項工程改革，就能滿足產(chǎn)業(yè)產(chǎn)口的需要。
驅(qū)動裝置附件：
驅(qū)動裝置附件常見在類似彈簧膜片驅(qū)動的或氣缸驅(qū)動的這些氣動裝置上，固定在驅(qū)動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、空氣升壓器和電動氣動傳感器。附件的數(shù)目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(qū)動裝置附件通常包括在驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)中，因此很少有題目。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(qū)動裝置相比尺寸都比其要小，這就是說附件的安裝不會明顯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(shè)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(guān)的安裝，假如用一種彈性的方式安裝，它就會失往與閥桿連接，因此就會結(jié)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(chǎn)生像限位開關(guān)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(chǎn)生躇誤信號、氣體管路的斷裂和別的事件的發(fā)生是分歧格的。
附件的設(shè)計和安裝也必須根據(jù)驅(qū)動裝置的抗地震結(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，對于一般產(chǎn)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、安裝和正常操縱，然而對于核電站的應(yīng)用就不夠了。
舉一個例子，圖3a中的安裝架定位器是用于一般產(chǎn)業(yè)的，制作它很輕易并能很好地完成工作，但地震試驗結(jié)果顯示在地震狀況下將會發(fā)生過多的偏移，“一般產(chǎn)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則表示了在一般產(chǎn)業(yè)用的安裝架上焊接一個角板，這些角板保證了強度，使偏移降到最小。為滿足抗地震要求對控制閥附件已進行了設(shè)計上的改變，這些附件最明顯的改變是重新設(shè)計安裝架，其結(jié)果證實在震中產(chǎn)生的位移最小。
遠景：
核電站抗地震要求的進展是很難于猜測的，同樣，控制閥將來的設(shè)計改進也是難以猜測的，但可以猜測將來的發(fā)展不會像以前那樣快。
已證實現(xiàn)存設(shè)備的抗地震情況和當前設(shè)計對早期設(shè)計進行不大的改進是可能的，所有正在運行的核電站證實涉及安全的電設(shè)備能承受熱、輻射和濕潤的影響(據(jù)10CFR50、49)，很多設(shè)備已被“經(jīng)檢定”的設(shè)備替換。以后的產(chǎn)品將注明合格的抗地震設(shè)備，這對于最被建立的設(shè)有抗地震要求的老核電站或微型設(shè)備在設(shè)計中的增強是特別重要的。
也許新的抗地震設(shè)計設(shè)備將替換老設(shè)備，鑄鐵驅(qū)動裝置將被鑄鋼替換，緊固螺栓連接方式將替換緊固螺母連接方式，設(shè)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¨替換而且附件限制在3.Og或4.5g輸進加速度的水平上。
結(jié)束語：
核電站中抗地震設(shè)備的安裝是十個發(fā)展的過程，為適應(yīng)這些要求控制閥的設(shè)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計又注明了功能設(shè)計。盡管抗地震限終輥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(shè)備代替舊的設(shè)備，對他們來說為了滿足今天的抗地震限終輥件，這些改進是必要的。
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