核電站控制閥抗進行一次抗震變革

    核電站用控制閥必須能承受地震的影響，美國聯邦管理法規上就關於本國核電站的設計、建築和運轉等一系列廣泛論題規定了必要條件。10CFFR50是「美國聯邦設備生產和使用許可證」的代稱，其附錄A中列出了「核電站通用設計標準」(GDC)。GDC一2中有一段中說：「核電站結構，裝置和元件必須設計成能承受如地震、龍捲風、飈風…之類自然現象的影響」。別的GDC也可作為指示設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。

   這類未作詳細說明的通用標準實際上無法執行。隨著核工業的成熟，核電站設備的抗地震設計和分析也就隨之明確，所有工業部門提出的這些GDC在今天的抗地震設計控制閥的改進中有了一席之地。核能調節委員會(NRC)發布了「標準檢驗方案」和「標準調節指導。」各工業組織也發布了稱為NRC要求標準的一系列法規和標準。建築設計師和公用事業也開始發布有關法規，對標準調節指導，標準檢驗方案和許可證的申請都有明確的要求。最後。控閥製造者為滿足工業上抗地震限制條件而改進了產品結構設計。  

    閥體：

    閥體是必不可少的管線系統理，如果管線系統符合要求，閥門也必然符合要求。這正是ASME法規的編青所論述」的。根據該法規，如果管線和閥體都是根據法規所設計的，而製造者能顯示出閥門中最弱的部分也比管線強度高，那麼這閥門就認J是合格的。這主要應表現出閥門的剖面積和剖面膜數值至少要比管線的那些高10%。如果管線和閥門的材質不同，那就要考慮它們之間所能承受壓力的差別。(根據ASMEIll、NCl／ND3S21)。

    對於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；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。就產生問題了。這個問題可以用幾種方式減緩，一種簡單的方式是將閥門內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，因為用一個大尺寸的閥門就意味著更高的成本。另一個方法是從買主那了解管線負荷和施行應力分析。自然.施行應力分析也會增加生產成本，特別是如果應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係數的閥體(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成本要低。當然，這幾種方式結合在一起可以達到最佳效果。

    一般來說，控制閥閥體的結，構不需要有更多的改變就適應抗地震的要求，通常閥體比管線強度高，而採用應力分析的方法也很簡單。偶爾也需要利用一些技術改造，利用選擇閥門尺寸和壓力係數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「中間支撐結構」。管線系統的地震運動必須經過閥蓋方能到達驅動裝置。因此.閥蓋必須能承受住驅動裝置的動力學作用。對於它自身，閥蓋是閥門中一個非常強的部分，然而因為它自身的基本結構，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，儘管這個附錄通常是為管線法蘭的分析準備的，但被公認為可以做閥蓋法蘭的分析。任何位於驅動裝置上的因地震導致的彎曲力解波轉換成一種「高值壓力」簡稱eq.一從而增加了閥門的設計壓力，閥蓋和體蓋螺栓就必須能承受住這種增加的法蘭結構壓力，Pfd=Pd+Peq。).如果用更複雜的方法計算壓力，那麼計算壓力將更高。因為閥蓋是比需要的壓力強許多，所以計算壓力通常在限定的許可範圍之l內。

    閥蓋必須能支撐住固定在其上的驅動裝置人選些驅動裝置常常很大而從閥蓋上延伸到一個顯著的位置上，一個閥門驅動裝置也許對整個系統有著明顯的動力影響。正是這些動力因素導致了閥蓋結構的絕大部分改變，這些結構的改變包括增加管壁和法蘭厚度和重新設計驅動裝置與閥蓋的連接方式少受力狀態，相反是增加硬度和穩定性。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儘可能高。
  
    驅動裝置附件：

    驅動裝置附件常見在類似彈簧膜片驅動的或氣缸驅動的這些氣動裝置上，固定在驅動裝置上的附件類型包括：限位開關，電磁閥、定位器，空氣過濾調節器、空氣升壓器和電動氣動傳感器。附件的數量和類型以閥門的功能和使用者的需要為準。電和電磁液壓驅動裝置附件通常包括在驅動裝置結構中，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動裝置相比尺寸都比其要小，這就是說附件的安裝不會顯著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：考慮到限位開關的安裝，如果用一種彈性的方式安裝，它就會失去與閥杆連接，因此就會結控制室傳導一個錯誤的信號。或者是將空氣接收器和電磁閥的撓性連接。撓性連接和它固有的大的偏移將不會產生像限位開關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，對於控制閥的抗地震要求來說。產生躇誤信號、氣體管路的斷裂和別的事件的發生是不合格的。

    附件的設計和安裝也必須根據驅動裝置的抗地震結構的原則：1)保持足夠高的硬度；2)有最小的體積；3)為了保持低重心，使有效的重量儘可能低。

    通常附件的結構改變主要是利用安裝架，對於一般工業來說僅有的要求是固定元件使其能夠工作並能承受裝運、安裝和正常操作，然而對於核電站的應用就不夠了。

    舉一個例子，圖3a中的安裝架定位器是用於一般工業的，製作它很容易並能很好地完成工作，但地震試驗結果顯示在地震狀況下將會發生過多的偏移，「一般工業用」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計上的改變，這些附件最明顯的改變是重新設計安裝架，其結果證明在震中產生的位移最小。
    閥門驅動裝置：

    閥門驅動裝置是最受核動力工業抗地震限定條件影響的控制閥部件，曾一度被認為本質上簡單的控制閥驅動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是同樣困難的。正像閥門_中別的部分一樣，驅動裝置結構已基本上十幾年保持不變了；它的設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用中得到證明，直到閥門製造商不得不通過檢驗證明抗地震要求.才有了設計上的改變。

    一個驅動裝置有兩個基本部件，支架和動力裝置，支架用於將驅動裝置固定在閥蓋上，以提供一個連接閥杆和驅動裝置的位置、以及提供一個用來安裝附件的位置(如彈簧膜片驅動裝置中的限位開關和定位器等)。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。

    在大多數情況下支架由鑄鐵製成，並用一些大的緊固螺母與水蓋連接在一起，然而因為必須承受像地震這樣的動力負荷的需要.就必須改變設計。首先改變的是材質，最初所用的材質一鑄鐵非常適合最初的設計負荷，即主要的驅動一裝置推力。鑄鐵有一個問題，它很脆的材料對於大的衝擊負荷和低轉疲勞負荷損壞非常敏感，因此將鑄鐵材料改為鑄鋼材料、通常是ASTM一216WCB型，這個改變是容易實現的，因為設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，許多抗地震檢驗的結果證實支架和閥蓋的連接必須重新設計，緊固螺母比起初的設計性能要高，然而抗地震檢驗的動力負荷情況結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動裝置的推力負荷，因為所有組件都是受一壓力作用，然而，在驅動裝置的基部沒有足夠的支撐面來保持儘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於鬆動.一次地震試驗的過程要比任何一次可能遇到的地震都劇烈，而且這種鬆動不像鑄鐵的斷裂那樣是災難性的。儘管如此，在緊固螺母這樣的關鍵部位的鬆動也是不允許的。同時，緊固螺母的鬆動也有其它問題，它意味著支架和閥蓋間的連接一旦鬆動.驅動裝置接著就可能繞著閥杆軸線偏轉，從而導致像限位開關和定位器元件的位移而造成失控。

    驅動裝置和閥蓋兩者在連接上都做了改進，設計的基本思想是在支架和閥蓋問提供一個大的接觸面，提供一個防止驅動裝置轉動和連接處的鬆動，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計是相當容易的。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.如何使驅動裝置堅固可*取決於設計者的措施。連接方式見圖2.它包括最初的緊固螺母結構，其它的方式有；將驅動裝置根據和閥蓋法蘭螺栓相接或壓扳放於用螺栓固定閥蓋的位置上使驅動裝置緊固，或者通過閥蓋法蘭用螺栓直接固定在支架上。

    驅動裝置設計中根據抗地震的基本原則也也進行了部分修改.這些原則包括儘可能提高強度，減輕重量和降低整體的重心。儘管(這將在後就討論)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行起來卻十分困難。例如：為了提高強度就必須增加材料(增加質量)，因為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抗地震必要條件就必須用結構鋼安裝驅動裝置或額外增加支撐。

    通常的情形是.一個給定尺寸的標。准驅動裝置必有一個在1OHz範圍內的固定頻率，為了抗地震需要而重新設計驅動裝置幾乎是進行一個全新的設計。增加基座使用螺栓固定閥蓋。支架由結構鋼製成。主要是槽鋼，這是為了提高強度。在強度低的隔板箱上增設加同板，以消除彎曲，通過去掉多餘的材料使重心降低。結果使驅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，控制閥驅動裝置經歷丁相當大的結構改進。這些改進包括材料、連接方式和總體結構的設計，結果是常常用一種類型的設汁和—項工程改革，就能滿足工業產口的需要。

     抗地震限制的必要條件(SQR)

    早期，大部分設備被限定使用靜態的分析方式，與複雜的建築及其它結構相比這對於結構簡單的控制閥是適用的。用於這些分析的輸入加速率通常以建立反應加速率為基礎或甚至是以場地而不是以管線系統的反應加速率為基礎，但仍然沒有標準。

    在發展的前期，專業組織為了核工業的特殊需要而建立了各種委領會和職業團體，對閥門製造者最有影響的兩個協會是「美國機械工程師學會」(ASME)和「電與電子協會(IEEE)。ASME中有關鍋爐與壓力容器規範中第3部分是專門為核電站的元件所編寫的，1968年這部分成了法規草案的雛形，並於1971年第一次用它的全部內容出版發行，在以後6個月中又做了數次修改。然而，ASME--IlI中僅指明了閥門的壓力範圍。根據其定義，只是有閥體、閥蓋、閥杆和連接體蓋的螺栓的壓力範圍對於閥門的其餘部分即附件和驅動裝置，在ASME--III中沒有提及，正因如此，在法規中只涉及壓力界線完整性而沒有涉及設備運行的能力。

    為了表明在地震中和地震後設備運行的能力，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.儘管IEEE標明其適用於機電設備上，但其通常被公認為適用於所有設備的抗地震限定條件標準。NRC的標準檢驗方案討論了機電設備的抗地震條件，在SRP3.10中NRC闡明IEEE一344適用於所有類型的機電設備的抗震要求。

    後來，直到IEEE一382在1972年首次發布時，閥門驅動裝置或閥門組件的抗地震限定要求才有一些規定。然而，那時它只是規定了閥門電動驅動裝置的限定(在地震環境中)而對於彈性隔膜驅動裝置，汽缸驅動裝置，液壓驅動裝置等沒有特別的限定標準。於1980年發布的IEEE一382改變了這種現象，它包括了全部各種驅動裝置的限定標準IEEE一382--1990--閥門驅動裝置安全條件IEEE標準」中說明「該規範適用於所有類型的動力驅動的閥門驅動裝置」。

    IEEE一344和IEEE一382是最為廣泛被公認的關於閥門或閥門驅動裝置抗地震的標準，還育許多別的標誰也被公布或是得到了不同的發展。然而，這些標準很難如上述兩者那樣得到廣泛的承認，因為這些標準中很難使人對於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和設計要求，這些標準被列到附錄A中。

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