呂明宇 劉 平 余華金

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

1 閥門可靠性分析的意義

所謂“可靠性”是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

可靠性是構(gòu)成閥門質(zhì)量的因素之一，閥門的可靠性在航空、軍工、核電等領(lǐng)域顯得更為重要，其水平高低對系統(tǒng)的安全性能和維修成本的影響尤為突出。從安全方面來看，很多核電事故的起因都是由某個小小的閥門故障，最終發(fā)展擴大，導(dǎo)致嚴重的后果。從經(jīng)濟方面來看，核電閥門也對核電站的建造和運維成本影響重大。所以，開展閥門的可靠性研究，分析閥門的故障類型和成因，計算并獲得閥門的無故障工作概率，有助于整個核電系統(tǒng)安全性能的提高和成本節(jié)約。

2 閥門設(shè)計階段的可靠性評估

在設(shè)計階段對系統(tǒng)或設(shè)備進行可靠性評價一般采用故障樹分析法，故障樹分析法是以故障樹作為模型對設(shè)備進行可靠性分析的一種方法，是設(shè)備安全分析方法中應(yīng)用最廣泛的一種自上而下逐層展開的圖形演繹的分析方法。在設(shè)備設(shè)計過程中，通過對可能造成設(shè)備失效的各種因素進行分析，畫出邏輯圖（故障樹），從而確定設(shè)備失效原因的各種可能組合方式或其發(fā)生概率，計算的設(shè)備失效概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高設(shè)備可靠性的一種設(shè)計分析方法。

3 大口徑鈉閘閥的故障模式分析

世界各國對閥門的故障模式和原因進行過廣泛的研究，其中，美國西雅圖的Milmanco 公司的研究成果最具代表性[1]，他們把閥門失效的模式和原因歸結(jié)為以下5 種。

3.1 卡滯

失效原因有3 種。1）由于應(yīng)力蠕變造成的導(dǎo)桿/閥門體變形、閥桿彎曲變形、填料壓得過多、過緊等物理原因，使閥桿活動受阻。2）由于污染、腐蝕等化學原因造成閥門導(dǎo)桿與導(dǎo)向件之間摩擦力過大，使閥桿活動受阻。

3.2 滲漏

失效原因有3 種。1）密封接觸面被腐蝕、磨損、有劃痕或有污染物，造成不密合。2）彈簧或緊固件發(fā)生蠕變，造成關(guān)閉力不足。3）密封件未壓緊或造成損傷，如劃痕、老化變形及腐蝕變質(zhì)等。4）螺栓松緊程度不一，使閥體與閥蓋壓合不緊。5）緊固件松動，造成密封接觸面接觸力不足。6）閥門關(guān)閉時，由于活動零件變形或間隙中有雜物引起閥瓣與閥座接觸偏離。

3.3 振動及噪聲

失效原因如下。1）介質(zhì)流動過程中使管道、閥門固定基座劇烈振動，也會使閥門隨之振動。2）因閥體內(nèi)部腔室線型設(shè)計不良，介質(zhì)流動性能不穩(wěn)定發(fā)生振動。3）閥門的頻率與系統(tǒng)頻率接近，引起共振。4）閥門的過渡節(jié)流導(dǎo)致介質(zhì)流動產(chǎn)生漩渦與閥門相互作用。

3.4 閥門工作壓力波動

失效原因有3 種。1）導(dǎo)致閥門接觸不良。2）閥芯有毛刺或變形，運動不靈活。3）出現(xiàn)共振。

3.5 閥體破裂

失效原因有3 種。1）材質(zhì)不好，內(nèi)部有砂眼、氣孔，或者在鑄造時產(chǎn)生偏心，使局部強度降低。2）閥門被碰撞產(chǎn)生細小裂紋，繼續(xù)使用后裂紋擴展。3）閥門用強力安裝，因受力不均造成破裂。4）外部環(huán)境的振動使閥門出現(xiàn)裂紋。

上述5 大類失效原因是所有類型閥門都可能出現(xiàn)的故障模式，只不過針對不同類型、不同結(jié)構(gòu)、不同用途和不同工況的閥門，失效原因的側(cè)重點不同。大口徑鈉閘閥作為閉鎖機構(gòu)設(shè)置在蒸汽發(fā)生器前后，當蒸汽發(fā)生器模塊失密封，發(fā)生鈉水反應(yīng)時，迅速關(guān)閉，保護二回路和蒸汽發(fā)生器的安全。它的工況特點是工作溫度高，工作壓力較大，承受高溫鈉介質(zhì)的侵蝕，使用環(huán)境惡劣，所以，基于以上特點，大口徑鈉閘閥的主要失效模式應(yīng)為卡滯、泄漏和閥體破裂。

4 大口徑鈉閘閥的可靠性分析

根據(jù)大口徑鈉閘閥的失效模式和性能要求，其整體的可靠性計算模型符合串聯(lián)模型，即其無故障工作概率為，其中，Ps為大口徑鈉閘閥整體可靠性，Ri為某一部件的可靠性。

大口徑鈉閘閥的主要功能部件包括殼體組件、靜密封組件、動密封組件、行程組件、支架組件和驅(qū)動裝置等。根據(jù)串聯(lián)模型的可靠性計算公式[2]，為了獲得整體樣機的可靠性數(shù)據(jù)，需要首先獲得各部件的可靠性數(shù)據(jù)。

4.1 殼體組件的可靠性分析

大口徑鈉閘閥殼體組件的可靠性分析有5 個方面。1）殼體組件的組成包括閥體和閥蓋，閥體與閥蓋都是鍛焊結(jié)構(gòu)，在工作狀態(tài)下承受系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)鈉的壓力，在事故工況下即要承受高溫介質(zhì)鈉的壓力，還要承受鈉水反應(yīng)中急劇的壓力升。2）殼體組件的公稱壓力為300 lb，強度試驗壓力為7.6 MPa。3）殼體主要部件材料為F316，其物理特性值滿足承受壓力的需求。4）閥體與閥蓋之間采用螺栓加舌沿焊結(jié)構(gòu)。5）通過分析和梳理殼體組件的故障模式，建立殼體組件的FTA，如圖1 所示。

圖1 殼體組件的FTA

根據(jù)FTA 分析可知，殼體組件不可靠性Q1為：

經(jīng)統(tǒng)計，大口徑鈉閘閥制造單位本年度一季度的機加一次廢品率為3.44%，裝配一次失誤率為4.74%，檢驗失誤參考人失誤模型（田口模型），取檢驗失誤值為1%。代入得殼體組件不可靠性Q1為0.002952。

所以，R1=1-Q1=0.977

可靠性值趨近于1，可靠性高。

4.2 靜密封、動密封、行程、支架組件的可靠性分析

其他鈉閘閥組件（驅(qū)動裝置除外）的可靠性分析類似于殼體組件，各功能部件的可靠性分析結(jié)果見表1。

表1 鈉閘閥主要功能組件（驅(qū)動裝置除外）的可靠性數(shù)據(jù)

4.3 驅(qū)動裝置的可靠性分析

電動驅(qū)動裝置是電動閥門的動力源，通常作為外購件整體采購，所以在進行電動驅(qū)動裝置可靠性分析時，也把驅(qū)動裝置作為一個整體部件單一考慮，不再對其進行拆分，分析各零件的故障模式，查ASNI/IEEE std 500 可知，電動驅(qū)動裝置的無故障工作時間（MTBF）為1.73×106h，電動驅(qū)動裝置的故障率為。

電動驅(qū)動裝置無故障工作概率P（t）按下式計算：

式中：λi—第i 個構(gòu)件的故障率；TT—構(gòu)件的質(zhì)保期；Ni—第i 類型構(gòu)件的數(shù)目；n—構(gòu)件的類型數(shù)。

大口徑鈉閘閥采購的是AUMA 的核級電裝，其質(zhì)保期為10 年。將上述各參數(shù)代入式（1），可得無故障工作概率為0.9506。

4.4 整機的可靠性分析

將各官能部件的可靠性數(shù)據(jù)代入串聯(lián)模型公式。

由計算結(jié)果可看出，采用現(xiàn)有設(shè)計方案，大口徑鈉閘閥整機在全壽期內(nèi)的無故障工作概率為92.16%。具有很高的可靠性。

5 結(jié)論

通過故障樹分析方法對大口徑鈉閘閥進行可靠性分析，可得閥門整機在全壽期內(nèi)的無故障工作概率為92.16%。具有很高的可靠性。