第三代民用核电厂主蒸汽隔离阀在线检测分析与研究

闫启亚，赵　猛

第三代民用核电厂主蒸汽隔离阀在线检测分析与研究

闫启亚1，赵猛2

（1. 上海核工程研究设计院股份有限公司，上海，200000；2. 国核示范电站有限公司，山东 荣成，264300）

为保证我国第三代核电用主蒸汽隔离阀在正常、异常、危急和事故工况期间和之后不应丧失功能，本研究采用试验方法，对主蒸汽隔离阀进行一定工况下的功能测试，通过不同工况下的测试结果，对照理论分析模式，为主蒸汽隔离阀在运行阶段的在线检测结果提供参考依据。研究结果表明，本试验能够准确地得出主蒸汽隔离阀在线检测的结果，并能够发现设计及制造过程中存在的潜在缺陷。因此，本研究可以作为我国三代核电厂用主蒸汽隔离阀在线检测结果的参考依据。

核电；质量

在我国某第三代核电项目中，采用的主蒸汽隔离阀为公称通径DN1050，设计压力8.2 MPa，设计温度320 ℃。阀门的结构采用楔紧式平行双闸板结构，其闸板组件为柔性连接结构，由两块楔形件、两块闸板组成。中腔密封采用自紧密封结构，支架采用圆筒形结构，并通过夹环与阀体连接；驱动装置采用气/液驱动装置。

为验证阀门组件能实施预期功能并收集基准数据，本研究对阀门进行了三个序列的试验，每个试验序列期间，阀门组件进行4次循环动作试验，以保证正确功能的同时，确保试验数据的有效性。

1　主蒸汽隔离阀试验序列及检测设置

1.1　主蒸汽隔离阀试验序列

1.1.1室温空载动作试验

常温下，旁通阀关闭，主阀空载不带压，阀门处于完全开启状态。第一次，用驱动装置A通道快速关闭阀门，再缓慢开启阀门；第二次，用驱动装置B通道快速关闭阀门，再缓慢开启阀门；第三次，用驱动装置AB通道快速关闭阀门，再缓慢开启阀门；第四次，缓慢关闭阀门（使用驱动装置A通道），再缓慢开启阀门。

1.1.2室温最大压差动作试验

常温下，旁通阀关闭，阀门处于完全开启状态，缓慢加压至试验压力8.2 MPa。第一次，用驱动装置A通道快速关闭阀门，随后出口端卸压，保持进口端压力为8.2 MPa，再缓慢开启阀门；第二次，用驱动装置B通道快速关闭阀门，随后出口端卸压，保持进口端压力为8.2 MPa，再缓慢开启阀门；第三次，用驱动装置AB通道快速关闭阀门，随后出口端卸压，保持进口端压力为8.2 MPa，再缓慢开启阀门；第四次，缓慢关闭阀门（使用驱动装置B通道），随后出口端卸压，保持进口端压力为8.2 MPa，再缓慢开启阀门。

1.1.3室温设计压力动作试验

常温下，旁通阀关闭，阀门处于完全开启状态，缓慢加压至试验压力8.2 MPa。第一次，用驱动装置A通道快速关闭阀门，再缓慢开启阀门；第二次，用驱动装置B通道快速关闭阀门，再缓慢开启阀门；第三次，用驱动装置AB通道快速关闭阀门，再缓慢开启阀门；第四次，缓慢关闭阀门（使用驱动装置AB通道），再缓慢开启阀门。

1.2　主蒸汽隔离阀试验检测设置

为验证阀门组件能够实现预期功能，并收集基准数据，在上述三个试验序列中，需获得以下试验数据：

序列A：阀门关闭及开启过程中全行程动作期间的推力；

序列B：阀门开启及关闭时间；

序列C：阀门关闭及开启行程。

为获取以上试验序列的试验数据，本研究在阀门阀杆上部，贴应变片用作推力测量，安装行程传感器用作行程测量。

同时为确保本研究获得的相关数据精确，对于阀门的开启及关闭时间，本研究不以控制柜读取的阀门位置指示器的时间为准。而是使用电流钳，检测控制柜启动电流信号为阀门动作初始时间，行程传感器到位信号为阀门到位信号。采用本研究的时间测量方法能够更加精准地获得阀门的实际性能参数。且本研究在最终数据对比中，发现采用位置指示器获取的时间误差在1%～10%。

2　主蒸汽隔离阀试验结果分析

2.1　空载工况下阀门试验结果

2.1.1空载工况下阀门关闭推力曲线分析

如图1所示，阀门的关闭过程主要分为四个阶段，第一阶段为A点到B点曲线，此时阀门驱动机构未接到阀门关闭信号，活塞处于原始位置，阀杆承受驱动装置带来的向上拉力，以形成阀门上密封边界。第二阶段为B点到C点曲线，阀门在a线时刻接收到启动信号，驱动装置活塞运动，带动阀杆开始受力，阀杆上密封处与阀盖上密封处脱离，此时阀杆受力状态的变化为从承受驱动装置向上的拉力变为主要承受阀杆自身与闸板及闸板架重力、阀杆与填料的摩擦力、驱动装置向下的推力。第三阶段为C点到D点曲线，此时闸板平稳下落，从阀杆推力曲线中可以看到，此阶段的阀杆受力为阀杆自身与闸板及闸板架重力、阀杆与填料的摩擦力、驱动装置的推力，推力曲线较平稳。第四阶段为D点到E点曲线，此时闸板开始与阀座接触，阀杆受力在第三阶段受力情况下增加了阀座与闸板之间的摩擦，且随着闸板的下落，闸板与阀座之间更加紧密地贴合，摩擦力增大直到阀门关闭完成，阀杆受力达到最大并稳定。

图1　阀门空载工况下阀门关闭阀杆推力曲线

2.1.2空载工况下阀门开启推力曲线分析

如图2所示，空载工况下阀门的开启过程主要分为三个阶段，第一阶段为A点到B点曲线，此时阀门驱动机构接到阀门开启信号，驱动装置活塞开始向上运动，阀杆承受驱动装置带来的向上的拉力，并带动闸板及闸板架向上运动，此时阀杆因克服闸板与阀座摩擦力、闸板及闸板架重力、填料摩擦力及部件静止到运动的惯性等，推力达到最大值。第二阶段为C点到D点曲线，此时闸板平稳上升，从阀杆推力曲线中可以看到，此阶段的阀杆受力主要为阀杆自身与闸板及闸板架重力、阀杆与填料的摩擦力、驱动装置的拉力，推力曲线较平稳。第三阶段为D点到E点曲线，此时阀杆上密封面开始与阀盖上密封面接触，阀杆受力在第二阶段受力情况下增加了两者上密封面的密封力，且随着阀杆的持续上升，阀杆与阀盖上密之间更加紧密地贴合，结合力增大直到阀门开启完成，阀门上密封压力边界形成，阀杆受力达到最大并稳定。

图2　阀门空载工况下阀门开启阀杆推力曲线

2.1.3空载工况下阀门试验结果结论

通过对上述曲线的分析，同时对多次试验数据进行对比分析，阀门在空载条件下，阀门的开启时间（设计要求≤900 s）、关闭时间（设计要求快关2～5 s，慢关≤300 s）、阀门行程［设计要求（818±10）mm］等试验结果，与图纸设计预期基本一致，且各次试验所得数据之间误差均较小，可认为试验是符合设计预期的（见表1）。

表1　阀门空载工况下动作数据

2.2　最大压差工况下阀门试验结果

2.2.1最大压差工况下阀门关闭推力曲线分析

最大压差工况下的阀门关闭推力曲线与空载工况趋势一致。由于此时阀门内部带压，因此测定的阀杆推力值较空载工况下要大（见表2）。

表2　阀门关闭时阀杆推力对比

2.2.2最大压差工况下阀门开启推力曲线分析

如图3所示，最大压差工况阀门的开启过程可以分为四个阶段，第一阶段为A点到B点曲线，此时阀门驱动机构接到阀门开启信号，驱动装置活塞开始向上运动，阀杆承受驱动装置带来的向上的拉力，并带动闸板及闸板架向上运动，此时阀杆因克服闸板与阀座摩擦力、闸板及闸板架重力、填料摩擦力及部件静止到运动的惯性等，推力达到最大值；第二阶段为B点到F点曲线，阀杆带动闸板及闸板架开始上升到闸板完全脱离阀座的过程，因压差工况下阀门进口端单侧受压，在闸板开始运动后，进口端的压力边界消失，阀门内部介质进入中腔，从而在出口侧，将闸板与阀座紧密贴合形成阀门新的压力边界。在此阶段，阀杆除承受填料与阀杆的摩擦力及提升部件的重力外，还包括闸板与阀座之间的摩擦力，在推力曲线的C点至F点位，即为出口端闸板与阀座进行摩擦，从而导致推力曲线的剧烈波动。第三阶段为F点到G点曲线，此时，出口端闸板提升高度超过阀座密封面，阀门压力边界失效，阀门内部压力释放并平衡，闸板随之与阀座完全脱离，阀杆推力曲线快速下降。第四阶段为G点到H点曲线，此时阀门完全开启，阀杆仅承受填料与阀杆的摩擦力及提升部件的重力，受力平稳。第五阶段为H点到I点曲线，此时阀杆上密封处开始与阀阀盖上密封处接触，阀杆受力在第四阶段受力情况下增加了阀杆与阀盖的密封力，随着密封处的紧密贴合，阀门开启完成，阀杆受力达到最大并稳定。

2.2.3最大压差工况下阀门试验结果分析

通过对最大压差试验推力曲线趋势及试验数据的分析，阀门在开启和关闭过程中的阀杆推力曲线趋势均一致且平稳有序（见图4），阀杆推力在各次试验中变化趋势也是一致的（见表3），阀门的行程坐标点B（闸板初始启动位置）、C（闸板运动初始位置）、F（阀门单侧压力完成释放点）、G（闸板自由运动初始位置）变化微小，最大误差均不超过2 mm（包含曲线选点误差及行程传感器误差）；根据以上数据及推力曲线图的分析，可以得到阀门在最大压差工况下，阀门的开启时间、关闭时间、阀门行程等试验结果，与图纸设计预期基本一致，且各次试验所得数据之间误差均较小，是符合设计预期的。

图3　阀门最大压差工况下阀门开启阀杆推力曲线

图4　阀门最大压差工况下阀门开启阀杆推力曲线趋势图

表3　阀门最大压差工况下阀门开启阀杆推力及行程表

2.3　设计压力工况下阀门试验结果分析

2.3.1设计压力工况下阀门关闭推力曲线分析

设计压力工况下的阀门关闭推力曲线与空载工况、最大压差工况趋势一致。本文对此不再详述。

2.3.2设计压力工况下阀门开启推力曲线分析

如图5所示，设计压力工况阀门的开启过程可以分为五个阶段，第一阶段与压差工况基本一致，推力曲线图中位置为A点到B点；第二阶段为C点到F点曲线，阀杆带动闸板及闸板架开始上升到闸板完全脱离阀座的过程，此阶段的阀杆受力包括填料与阀杆的摩擦力及提升部件的重力，同时，因设计工况关闭阀门时，阀门整体带压，闸板的快速关闭，会导致阀门中腔压力升高，存在一定的压差，且不同的关闭方式，也会造成阀门内腔压力的不同。因此在阀门开启时，阀门的入口侧、中腔、出口侧压力在阀门开启过程中，会逐渐消除压差，从而导致阀杆推力出现波动，如图5中的D、E点位；第三阶段为F点到G点曲线，此阶段为阀杆带动闸板提升，闸板与阀座逐渐脱开，此时，阀门进口侧、中腔、出口侧均已联通，阀门内腔压力达到均衡，闸板与阀座不再紧密贴合，阀杆不再承受闸板与阀座的摩擦力，推力曲线快速下降；第四、五阶段均与压差工况基本一致。

2.3.3设计压力工况下阀门试验结果分析

通过对设计压力工况下试验推力曲线趋势的分析，阀门在开启和关闭过程中的阀杆推力曲线趋势均一致且平稳有序（见图6），阀杆推力在各次试验中变化趋势也是一致的（见表4），阀门的行程坐标点B（闸板初始启动位置）、C（闸板运动初始位置）、F（阀门内腔压力均衡）、G（闸板自由运动初始位置）变化微小，最大误差均不超过2 mm（包含曲线选点误差及行程传感器误差）；根据以上数据及推力曲线分析，阀门在设计压力工况下，阀门的开启时间、关闭时间、阀门行程等试验结果，与图纸设计预期基本一致，且各次试验所得数据之间误差均较小，是符合设计预期的。

图5　阀门设计压力工况下阀门开启阀杆推力曲线

图6　阀门设计压力工况下阀门开启阀杆推力曲线趋势图

表4　阀门设计压力工况下阀门开启阀杆推力及行程表

2.4　试验异常曲线的分析及处理

如图7所示，在多次关闭并开启阀门后，阀杆推力曲线在G到I段出现明显的波峰，并在推力波峰处可听到阀门发出金属撞击声。此波峰因与之前试验获取曲线存在明显差异，故认为阀门内部存在异常。随后拆解阀门后确认，阀体导轨筋根部圆角处及导轨筋有剐蹭现象，剐蹭部位的位置及长度与推力曲线异常处位置及长度基本一致。

图7　异常曲线

本次曲线异常为在空载工况下、最大压差工况下、设计压力工况下多次关闭并开启阀门后，在此之前，阀门已进行多次关闭与开始试验，且在阀门装配阶段，均未发现阀门内件存在干涉的情况，因此推断，本次内件的干涉为阀门在多次开启、关闭动作后，闸板组件的变形或位移导致的，从上述多次试验得出的数据分析可以得到，虽然每个工况下阀门行程变化量很小，但将所有试验行程变化统计分析后可以得出，阀门行程在逐渐变大。

阀门拆解后在对阀门内件进行检查时，同时发现闸板背面有压痕、闸板架和下楔块的楔面有擦伤，闸板架实物楔面下侧与方身段薄壁发现有少许变形。因此推断，此次闸板与阀体内壁干涉的主要在于两个方面：

（1）阀体导轨筋根部圆角铸件尺寸问题，由于此处铸件尺寸在实际生产中不承担阀门的功能性作用，因此厂家对其的质量控制较为松懈，尺寸保证未能严格按照图纸进行控制，且在阀门装配过程时，未与阀内件干涉，故而未能在试验前发现。

（2）由于驱动装置的出力较大，造成阀内件出现不同程度的变形，体现为阀门行程不断变大。这两方面的原因叠加，造成在阀门动作试验进行十余次后，阀内件与阀体导轨筋根部圆角处出现干涉，造成阀杆推力曲线出现异常。

3 结论和建议

通过上述分析结果可以表明，本研究可以有效验证主蒸汽隔离阀的在线检测试验结果是否与设计预期一致，也能够提前对阀门在运行过程中可能产生的隐患进行发现和排除。

我国现有的部分三代核电的主蒸汽隔离阀国产化项目中，尚未对阀门在制造厂进行在线检测进行要求，只是简单对阀门的关闭、开启时间和密封性进行了规定，因此，本研究可以对这类电站在运行过程中，对主蒸汽隔离阀的在线检测结果评判提供参考。

通过本研究也可以明确得知，主蒸汽隔离阀在出厂性能测试过程中，增加阀门在关闭和开启全行程动作期间的阀杆推力检测，能够有效的检测阀门在开关过程中可能存在的各种隐患。

建议我国主蒸汽隔离阀的设计及制造单位，应提前考虑阀门在实际试验及后续运行过程中存在的部件变形等因素，通过本文的分析可以得知，阀门在检测试验前期，各部件运行正常无干涉现象，但阀门随着试验的进行，各部件之间经过不断挤压碰撞而变形，最后导致闸板与阀体内壁产生干涉，将阀体内壁切削下部分金属。因此，相关设计及制造厂家应加强对于主蒸汽隔离阀部件的质量控制，尤其是阀体等大型铸件中的圆角过渡区域。

［1］ 美国机械工程师协会. ASME—2004:锅炉及压力容器规范［S］. 上海：上海科学技术文献出版社，2007.

［2］ 美国机械工程师协会. ASME BPVC-Ⅲ：核设施部件建造规则（第1册）NC 分卷［S］. 上海：上海科学技术文献出版社，2007.

Analysis and Study on the On-line Detection of the Main Steam Isolation Valve in the Third Generation Civil Nuclear Power Plant

YAN Qiya1，ZHAO Meng2

（1. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.Ltd, Shanghai 200000，China；2. State Nuclear Power Demonstration PlantCo.Ltd，Rongchneg of Shandong Prov. 264300，China.）

In order to ensure that the main steam isolation valve for the third generation nuclear power in China should not lose its function during and after normal, abnormal, critical and accident conditions, this study uses the test method to test the function of the main steam isolation valve under certain conditions. Through the test results under different conditions and compared with the theoretical analysis mode, it provides a reference basis for the on-line detection results of the main steam isolation valve in the operation stage. The study findings show that this test can accurately obtain the on-line detection results of the main steam isolation valve, and can find the potential defects in the design and manufacturing process. Therefore, this study can be used as a reference for the on-line detection results of main steam isolation valves for the third generation nuclear power plants in China.

Nuclear power; Quality

TL334

A

0258-0918（2023）03-0587-08

2021-11-29

闫启亚（1987—），男，河南商丘人，学士，现主要从事国内核电阀门质量监督相关研究