核电厂动力驱动阀门端部加载试验的适用范围和力矩计算.pdf

Aug.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.4 核电厂动力驱动阀门端部加载试验的适用范围和力矩计算Scope of Application and Torque Calculation of End Loading Test of Power Drive Valve in Nuclear Power Plant袁晨星（上海自动化仪表有限公司自动化仪表七厂，上海 202150）YUAN Chenxing（Automation Instrumentation No.7 Factory of Shanghai Automation Instrumentation Co.，Ltd.，Shanghai 202150，China）摘要：端部加载试验是核电厂阀门鉴定项目之一，本文首先介绍了端部加载试验的执行标准，然后对阀门端部加载试验的适用范围进行了归类，最后对端部加载试验力矩计算公式中的参数进行了说明，并依据核电厂某台阀门的实际参数计算了力矩值。关键词：端部加载；核电；阀门Abstract：End loading test is one of the valve identification projects of nuclear power plant，this paper first introduces the implementation standards of end loading test，then classifies the scope of application of valve end loading test，and finally describes the parameters in the torque calculation formula of end loading test，and calculates the torque value according to the actual parameters of a valve in a nuclear power plant.Key words：end loading；nuclear power；valve中图分类号：TM 623 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）04-0022-031前言阀门组件是安装在管路系统的一种机械部件，在正常运行时，会承受管路系统中不同的载荷，如压力、温度、自重及管道端的载荷力等。其中，管道端的载荷力会对阀体产生弯曲应力，很多阀门在实际使用过程中受到管道端的载荷力非常小，不需要考虑端部载荷引起的弯曲应力，但在核电厂阀门设计中，需要对阀门进行保守设计，要考虑阀门组件在极端情况下受到的端部载荷。2执行标准核电阀门端部加载试验的执行标准主要有两份：一份是美国机械工程师标准 核电厂能动机械设备鉴定 ASME QME1；另一份是我国能源局发布的 核电厂能动机械设备鉴定 第 6 部分：阀门组件鉴定 NB/T 20036.6。其中，ASME QME1 又分为了 2002 版和 2007 版。目前，国内设计院常用NB/T 20036.6 作 为 阀 门 端 部 加 载 试 验 的 鉴 定依据。3适用范围在 ASME QME1 2002 版中，将阀门按驱动方式分成了能动动力操作阀、能动自操作单向阀和能动压力释放阀。同时，根据该标准的要求，对于能动动力操作阀和能动自操作单向阀，在以下两种情况下不要求进行端部加载试验：阀门的用途不会产生明显的端部负载反作用，如管道连接到阀门一端的排放阀不会产生明显的负载；阀门的设计是通过螺栓将阀门固定值管道法兰之间来安装到管道里的，阀体的横截面图通常为圆筒形（用于执行机构安装的螺栓孔和附加装置以及阀杆/阀轴的入口除外），其比例为平行于管道的阀体长度等于或小于阀门的内径（比如对夹式蝶形阀）。ASME QME1 2007版除了不需要进行端部加载试验的两种情况与 2002版一致外,标准还明确了只需对在管道破裂时,需要阻断流体流动的阀门组件进行端部加载试验，其余阀门组件不需要进行端部加载试验。对于在管道破裂时，需要阻断流体流动的阀门组件定义为 QV A 类阀门，其余阀门组件定义为 222023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）QV B 类阀门。能动压力释放阀的作用是压力释放，因 此 能 动 压 力 释 放 阀 无 QV A 类 阀 门，只 有 QV B类阀门。对 ASME QME1 标准中关于端部加载鉴定的归类见表 1。对比两版标准发现，2007 版本中规定的端部加载试验范围更合理，避免了核电阀门鉴定中一些不需要的鉴定项目，降低了设备鉴定成本。NB/T 20036.6中关于端部加载试验的描述，主要参考了 ASME QME1 2007版 QV 篇。其在确定端部加载试验适用阀门组件与 ASME QME1 2007版一致。4参数说明与计算端部加载试验力矩值计算过程中主要涉及 3个参数，分别是放大因子、弯曲模量和屈服强度。下面将根据某核电厂阀门的实际数据对这 3个参数进行说明和计算。4.1设计参数某核电厂阀门属于能动机械设备，按阀门功能分类属于动力操作阀，按鉴定要求分类属于 QV A类，因此需要进行端部加载试验，阀门参数见表 2。4.2放大因子在设备的实际应用过程中，有时会出现设备已经按鉴定要求完成且通过了鉴定，但在实际使用过程中，发现相同载荷条件下设备材料发生了屈服的情况。产生该现象的根本原因是设备在鉴定过程中没有考虑设备材料的实际屈服强度，当鉴定用设备材料的屈服强度较高，而实际使用过程中设备材料的屈服强度较低时，会出现上述问题。为使试验在最不利条件下进行，在计算初始试验载荷端部力矩时，需乘上一个放大因子，其表达式为K1=Sy GbmSMYS Gbd（1）式中：Sy为阀体材料的实际屈服强度，MPa；Gbm为根据实际测量尺寸计算的阀门交叉部位的截面弯曲模量，mm3；SMYS为阀体材料的规定最小屈服强度，MPa；Gbd为根据最小图纸尺寸计算的阀门交叉部位的截面弯曲模量，mm3。根 据 阀 门 参 数，该 阀 门 阀 体 材 料 为 Z3CN20.09M，根据 RCC-M Z 篇，查表 ZI2.2，该阀体材料在室温下规定的最小屈服强度为 210 MPa；同时，根据阀体的原材料质保书，查得该阀体材料在室温下的屈服强度的实测值为 275 MPa。由于调节阀的阀体流道较为复杂，阀门交叉部位的截面弯曲模量不方便计算，目前，阀门交叉部位的截面弯曲模量的理论值都是通过三维模型建模后由三维软件直接读出。阀门实际交叉部位的截面为非规则形状，截面弯曲模量也不方便计算，需对实际阀体尺寸进行精确测量后，再导入三维软件内，通过软件计算出实际交叉部位的截面弯曲模量。为便于计算，本文默认理论与实际交叉部位的截面弯曲模量一致。根据以上条件，端部加载试验初始力矩的放大因子 K1计算值为 1.31。4.2接管的弯曲模量端部加载试验最主要校核的是管道对阀门本体产生的应力是否影响阀门的动作，因此需要计算表 1ASME QME-1端部加载试验适用表阀门分类端部加载试验标准版本2002版2007版能动动力操作阀适用（除阀门在使用中不受到明显的端部载荷或阀体的流道截面为环形，且阀体法兰距小于阀门内径的情况）QV A适用（除阀门在使用中不受到明显的端部载荷或阀体的流道截面为环形，且阀体法兰距小于阀门内径的情况）QV B不适用能动自操作单向阀适用（除阀门在使用中不受到明显的端部载荷或阀体的流道截面为环形，且阀体法兰距小于阀门内径的情况）QV A适用（除阀门在使用中不受到明显的端部载荷或阀体的流道截面为环形，且阀体法兰距小于阀门内径的情况）QV B不适用能动压力释放阀适用适用表 2阀门参数阀门口径阀门压力等级阀门进口管道尺寸/mm阀门出口管道尺寸/mm阀门进口管道材质阀门出口管道材质阀门规范等级阀体材料DN150ANSI Class 900 168.310.97 168.310.97Z2CN1810Z2CN1810RCCM 2级Z3CN20.09M 23Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control接管的弯曲模量。在计算端部加载试验初始力矩时，接管的弯曲模量计算分以下两种情况：(1)当阀体大端内直径 de254.5 mm 时，接管的弯曲模量取式（2）和内径de的管标号 40标准管道的弯曲模量的较大值，表示为Fb=0.393 d3e Psf0-Ps（2）式中：de为阀体大端内直径，mm；Ps为阀门在 260 下 对 应 的 压 力 额 定 值，MPa；f0为 常 数，取 137.9 MPa；Fb为用于计算阀体弯曲应力的接管弯曲模量。(2)当阀体大端内直径 de254.5 mm，接管弯曲模量取式（2）和式（3）计算结果的较大值：Fb=7.493 d2e（3）在计算接管弯曲模量之前，需要先判断对比阀体大端内直径和 254.5 mm 的大小，阀体端部内直径由阀门管道规格所确定，根据上游已知条件，该阀门的进出口管道规格均为 168.3 mm10.97 mm，根据核电阀门管道、管件、阀门和设备管嘴焊接端接头形式和尺寸要求，当管道壁厚4 mm 时，阀体端部内直径计算式为de=D0-1.75t-1（4）式中：D0为管道外径，mm；t为管道壁厚，mm。因此，阀体端部的内直径：de=168.31.7510.971=148.1 mm（5）阀体两端内直径均小于 254.5 mm，因此按情况式（1）计算所需的接管弯曲模量。该阀门的压力等级为 ANSI Class 900，阀体材料 为 Z3CN20.09M，阀 门 的 RCC-M 规 范 等 级 为 2 级，查 RCC-M C 篇表 C3552.1，阀门在 260 下对应的压力额定值 Ps值为 10.12 MPa。综合上述参数，de=148.1 mm，Ps=10.12 MPa，f0=137.9 MPa，则式（2）的计算值为 101 106 mm3。根据 ANSI B36.10M，内径大于 de（148.1 mm）的管标号 40 标准管道的外径为 168.3 mm，壁厚为7.11 mm，该标准管道的弯曲模量计算式为Fb=D332 1-()dD4（6）式中：D为管道外径，mm；d为管道内径，mm。根据式（5），内径大于 de的管标号 40 标准管道的弯曲模量计算值为 139 231 mm3。通过比较，计算端部加载试验用接管弯曲模量为 139 231 mm3。4.3连接管道的屈服强度端部加载试验是考虑在极限情况下阀体受到的弯曲应力，因此管道的屈服强度值作为阀门受到端部载荷的极限情况，计算时以 260 下的屈服强度作为计算依据。该阀门进出口连接管道的材质均为 Z2CN18-10，根据 RCC-M Z 篇，查表 ZI2.2，该材料在 250 下的屈服强度为 113 MPa，在 300 下的屈服强度为 108 MPa，根据插值法求得 Z2CN18-10 在 260 时的屈服强度为 112 MPa，因此 S值取 112 MPa。4.4端部加载试验力矩值根据 NB/T 20036.6 第 5.6.2 e 节，端部加载试验的初始力矩值 M=K1FbS，其中 K1为放大因子，Fb为接管的弯曲模量，S为管道材料在 260 时的屈服强度。通过上述计算，K1、Fb和 S 的计算值分别为1.31、139 231 mm3和 112 MPa，通过计算，该阀门受到的端部载荷端部力矩值 M 为 204 28 Nm。5结语在核电阀门鉴定过程中，可能需要对阀门进行端部加载鉴定试验，本文可指导核电阀门设计人员判断阀门是否需要进行端部加载鉴定试验，对于需要进行该试验的阀门，设计人员可按本文公式计算力矩值。参考文献：1 陆培文.阀门设计入门与精通 M.北京：机械工业出版社，2009.2 中国机械工业联合会.气动调节阀：GB/T 42132008 S.北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2008.3 袁晨星，赵万福，施锦超.600 MW 快堆工程主给水流量闭环调节阀流量特性设计与验证 J.流体测量与控制，2022，3（3）：11-14.24