梅静
核工业工程研究设计有限公司 北京市 101300
摘要：阀门作为核电常见的设备类型，在核电装机容量不断提升的现状下，它的市场容量也不断提升，有着较广阔的发展前景。核电站中，对放射性剂量高区域或不可接触区域的阀门进行远距离操控时需要借助特殊装置阀门远传装置。通过阀门远传装置操作阀门,可以有效降低运行人员所受辐照剂量,同时为阀门操作、检修提供空间。核电站用阀门远传执行机构的设计研究对三代核电站阀门可靠性的安全保障具有重要意义。
关键词：核电站；常见阀门类型；远传装置
阀门是流体输送系统中用来改变通路截面和介质流动方向，控制输送介质流动的一种控制部件，它具有截断截流、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。在核电站一回路系统和二回路系统、循环冷却水系统及其各种核辅助系统和非核辅助系统中，阀门是应用最为广泛的通用机械设备，在系统中执行各种不同的控制功能。核电站里阀门种类繁多，结构复杂、控制方式各异，其功能也不同，阀门的安全与核电站的安全稳定运行关系密切。
远传阀门装置主要包括一套机械传动机构,它是将阀门驱动端（如手轮、气动头、电动头等）的力矩传递到阀门本体，继而使阀门完成开启或关闭功能的力矩传递装置。面对核电站厂房内各类管线、设备、阀门等复杂的布置条件，合理设计阀门远传装置是个比较复杂的问题。
1、核电站常见阀门类型
1.1闸阀：核电站中，闸阀应用非常广泛，一回路、二回路、核辅系统等都有应用。在系统中主要作为通、断介质用，其驱动方式，主要有：手动、电动形式，气动形式不多。一回路上的边界阀设计为闸阀，其阀门填料采用了多重密封形式，同时为了保证泄漏的放射性介质能被收集，则在填料处还设计有引流管，以便收集放射性介质；对于大口径阀门，为了便于开启阀门，在阀座与阀门进出口之间设计了压力平衡管。
1.2截止阀：其包括三种结构，分别是填料式截止阀、波纹管式截止阀和金属膜片式截止阀，核电站中一些常压、常温、非放介质的管线上应用填料式截止阀，但对于有放射控制要求的辅助管路上则应用后面二种结构形式。截止阀的特点是阀体结构较简单，维修方便。启闭时阀瓣与阀座密封面之间无相对滑动，因而密封面磨损和擦伤较轻，密封性能较好。但该阀阀体内介质通道比较曲折，流动阻力较大。介质的流动方向受限制，有安装方向要求。
1.3蝶阀：它是用圆盘式启闭件往复回转90°来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门，蝶板由阀杆驱动并绕阀杆轴转动，以改变阀的开启度，其间流体流向不改变。蝶阀具有截断截流和流量调节双重功能，既可用截断阀也可流量调节阀使用。蝶阀总的特性是流体阻力小，它与相同直径和压力等级的平行式闸板阀比较，其结构尺寸小，开、关迅速，当开启在大约15°至70°时，具有良好的流体调节特性，适合制成大中口径，中低压力的阀门。其在安全壳内空气介质输送系统、冷却系统、废液系统、重水堆的重水回收系统等都有广泛应用，其主要包括偏心式金属密封蝶阀、同轴直连式衬胶蝶阀和双动式金属密封蝶阀等类型。
1.4止回阀：又称单向阀，是一种不需要从外部操纵的自动调节阀，其功能是防止系统介质倒流，它的运行仅受流体的流动方向及速度来控制，在无介质压力推动下，它在一个规定的方向上永远是闭合状态。它适用清洁介质，不宜用于安装在含有固体颗粒和粘度较大介质中的系统管路中。其在核电站的主给水系统、冷却水系统、三废系统上都有应用，它主要分为旋启式和垂直升降式两种。
1.5球阀：其启闭件为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现开阀、闭阀的目的，它用于截断、分配和改变介质流向方向，如果球阀的球体是V形开口的，则具有调节流量的功能，此时其驱动方式为气动方式，它的结构形式主要有：夹式球阀、二段式球阀、顶装式球阀等，其中夹式球阀应用非常广泛，其在核电站中一些常压、常温、放射性介质、非放介质的管线上都有应用。顶装式球阀常用放射性废液管线上，其结构带有中法兰结构，阀芯取出时需把中法兰拆下，从上部取出。
1.6安全阀：安全阀是一种不借任何外力，而是利用介质本身的力自动开启阀门，从而排出一定数量的流体，避免系统和设备超压的自动保护装置。它的主要功能，是超压装保护功能，防止系统超压引起事故及对设备造成损坏。它在核电站中各系统中都得到应用，其中主蒸汽安全阀作为事故状态下，蒸汽能得到及时，有效释放，其可靠性非常关键，属于关键设备。
2、核电阀门远传装置设计
2.1远传阀门的设计选择
核电站阀门远传装置的设计选择应综合考虑放射性防护要求、房间内物项的布置要求等情况。远传阀门的操作位置的选择应考虑以下两点：阀门操作点所在房间辐射剂量满足辐射防护设计要求；阀门控制点所在的位置，应易于操作人员快速抵达、动作和检修。
放射性防护设计要求严格控制高放射性区域运行人员进出的次数和驻留时间，因此设计在较高放射性剂量区域且有操作要求的阀门，应通过设计远传装置，达到控制操作人员接受辐射剂量的目的。特殊地，某些房间因为物项较多，空间紧张，不利于阀门的安装、操作，可通过设置远传装置，将阀门的操作位置转移到附近的、便于操作人员动作的地点。
2.2远传阀门执行机构设计
远传阀门执行机构设计的一般流程如下：
（1）根据远传阀门临近区域的辐射分区和管道、设备布置情况，选择阀门执行机构控制位置，完成执行机构总体型式设计。
（2）根据阀门开闭力矩，以及驱动端输入力矩，结合执行机构组成部件，进行机构型式计算，选定联轴器、花键、转向器、传动轴在等部件结构尺寸参数。
手动阀门执行机构的轴系强度至少按照阀门启闭(密封)力矩的2倍进行考虑，在强度试验时也按照这个力矩值完成试验。电动和气动阀门远传机构的强度力矩值还应综合考虑电动和气动执行机构力矩，并在强度试验时也按照该值进行试验。
万向联轴节通常组对使用，用轴套在联轴节中间连接，可吸收横向位移，在两个平行轴线之间夹角量应不大于20°。中间轴要有足够的长度，用来补偿安装公差和管道热位移量。轴承和转向机构应填充耐辐照润滑油。
（3）根据阀杆和驱动端接口尺寸，设计机构接口结构型式。
设计阀门连接座时，为考虑提高传动效率的同时应有效地与阀门连接，其设计接口尺寸与阀门匹配度良好。针对闸阀，应考虑阀杆提升高度对机构运行的影响。因此连接座转轴可选用空心轴。
（4）根据执行机构贯穿土建结构情况，设计贯穿墙体、楼板套筒、法兰连接件、机构支撑型式。
阀门远传机构无论贯穿结构墙或是结构楼板，贯穿部分应能满足房间之间的辐射防护设计要求。穿墙(楼板)机械传动轴应留有补偿土建公差的设计裕量。阀门远传执行机构贯穿建筑墙体、结构楼板部分，应设置贯穿金属套筒，如有辐射防护要求，还要选用射线插塞。射线插塞的规格选择，应根据贯穿房间的放射性剂量而定。
相同型号规格及相同等级的远传阀门执行机构， 其对应的零部件应具备互换性。整套远传阀门执行机构的设计结构应便于拆装和维修。阀门远传机构在工作环境下应可靠运行。设计时除考虑阀门的启闭力矩、传动效率外，传动系统结构设计还应综合考虑建安公差、阀门所在管道热位移、机械机构自重、地震荷载等因素的影响。
2.3阀门远传装置特点
按力的传递方向，阀门远传装置一般有水平远传和竖直远传；按远传轴的类型，一般有刚性轴和柔性轴远传。
根据工程经验，刚性轴阀门远传装置结构复杂，安装空间要求大，在核岛狭小的布置空间中，管线众多，留给阀门远传的空间非常有限，如何避免干涉一直是设计难题，同时，齿轮箱安装精度要求高，受土建及管道安装误差影响较大。如果齿轮箱安装有歪扭等问题，易造成转动不顺畅，卡死等故障，并且其维修和更换也非常困难。
柔性轴阀门远传装置在传动过程中柔性轴可以在合理弯曲半径下任意弯曲，实现长距离传输，传输途中可解决锐角转弯问题，通过不同的阀门适配器可以适用不同的阀门。
3、结束语
型式多样的阀门远传执行机构，能够满足核电厂不同厂房布置条件。通过设置远传阀门执行机构，有效降低了操作人员受辐照剂量，同时方便运行人员操作、检修。
参考文献：
[1]杨卫民.浅谈核电站远传机构[J].科学导报·科学工程与电力,2019.
[2]霍明.核电站阀门柔性轴远传装置的应用创新设计及研究[J].中国机械,2014.
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