艾默生过程管理（天津）阀门有限公司 （301700） 王永先 宋 洁

【摘 要】基于套筒式阀门与气动薄膜执行机构对EPRI－107322导则中所规定之核电站气动阀门评估方法展开论述，并结合实际气动执行机构选型经验，介绍了考虑各种不确定度条件下的执行机构最小输出力与阀门所需推力计算；同时依据EPRI－107322中的理论，确立了气动薄膜执行机构最小输出力相较于套筒式阀门所需推力裕量计算的方法。

【关键词】EPRI－107322 套筒式阀门  气动薄膜执行机构  不确定度  裕量

一、前言

气动阀门评估导则（Air-operated Valve Evaluate Guide）由美国电力研究协会（Electric Power Research Institute）发布，广泛应用于北美各核电厂，旨在为核电厂气动阀门（AOV）的性能评测提供指导原则，以验证其满足核电厂应用条件下的设计及运行要求。

该导则内容涵盖阀门所需推力/扭矩计算、气动执行机构输出力计算、气动执行机构输出力裕量计算等方面，相较于通常的阀门执行机构选型计算，该导则充分考虑了选型计算过程中的各种误差或不确定度的影响，以确保用于核电厂气动阀门的可靠性。

因EPRI－107322中所涉及阀门及气动执行机构种类纷杂，本文仅讨论其中的套筒型阀门及气动薄膜式（含弹簧）执行机构，并就阀门所需推力、执行机构输出力、裕量等方面展开讨论。

二、阀门所需推力

套筒型阀门应用过程中所需的推力是指可以驱动阀芯运动至不同开度，并在全关位置产生相应的密封效果所需的力。对于该类型阀门，其应用过程中需考虑各种摩擦力、流体非平衡力以及阀座密封力等。本文将针对各不同力逐一进行讨论，并最终计算确定总的阀门所需推力。

1 摩擦力

对于套筒型阀门，其摩擦力主要包括阀杆填料摩擦力和阀芯密封环摩擦力。

阀杆填料摩擦力 （F_P）由阀杆处填料与阀杆的接触产生，一般由阀门厂商或填料生产厂商提供。阀芯密封环摩擦力（F_US） 对于平衡式阀芯结构，其阀芯上安装有密封环，用于阀门关闭时阻断阀芯与阀笼间泄漏。

在阀芯运动过程中，密封环与阀笼内表面产生摩擦力，密封环摩擦力一般由阀门或密封环生产厂商提供，对于非平衡式阀芯则不存在此摩擦力。

因摩擦力方向始终与阀内件运动方向相反，故在阀门的开启及关闭方向上皆需要考虑。

2 流体不平衡力

根据EPRI－107322，流体不平衡力（F_un）包括流体作用于阀杆端部产生的不平衡力和流体作用于阀芯上产生的不平衡力。

阀杆不平衡力(F_SR)适用于所有阀杆贯穿承压边界的阀门结构，因阀杆一端处于承压边界内承受流体压力作用，另一端处于压力边界之外，故在压差作用下产生沿阀杆轴向的不平衡力。其数值取决于阀杆截面积（A_s）与作用于阀杆端部的流体压力（p_B）。

阀芯不平衡力（F_DP）则由流体作用于阀芯上下侧的不同压力所致，其数值取决于作用于阀芯上下的压差（∆p）及阀芯上下侧不平衡面积（A_UN）。

鉴于阀芯不平衡力与阀杆不平衡力产生机理相同，且均作用于阀芯阀杆组件上，故其产生的不平衡力可一并考虑。如图１所示为阀芯处于关闭位置时，对于不同阀芯结构及不同流体流向时，阀门内上下游的压力分布。

图1 阀内压力分布

据此，阀芯阀杆组件不平衡力（Fun）计算如下，对于非平衡式阀芯，不平衡力分别为：

低进高出：

高进低出：

同理，对于平衡式阀芯，不平衡力计算为：

低进高出：

高进低出：

对应于EPRI－107322中的定义，式中(p₁－p₂) A_UN为阀芯不平衡力，p₂A_S（p₁A_S）为阀杆不平衡力，可见对于不同阀芯类型及不同流体流向，阀杆不平衡力中的压力（p_B）取值不同，且对于阀芯/阀杆组件非平衡力贡献不同。

当阀芯处于开启状态时，阀芯上下压力相等，不存在压差，故作用于阀芯阀杆组件上的非平衡力等同于阀杆非平衡力。

保守起见，当流体不平衡力的作用方向与阀芯运动方向一致时（流体不平衡力与执行机构输出力方向相同）可予以忽略，即不考虑压力辅助关闭或开启的效果。

3 阀座密封力

阀座密封力（F_SL）仅存在于阀门完全关闭位置，且阀门密封等级不同，所需阀座密封力不同。通常，阀门生产厂商经试验测试可确定不同密封等级下所需的单位长度密封力（_Lseat），则根据阀座密封面周长(d_seatπ)可确定阀座密封力为：

4 阀门内件自重

阀内件自重力（W_DS）的影响需考虑阀门的安装位置或不同的阀门结构，即需确定阀杆轴线与重力方向的夹角（θ），以确定沿阀杆方向的有效作用力（F_DS）：

阀内件自重始终沿竖直方向向下，保守起见，当执行机构推动阀内件向下运动时（即阀内件自重辅助运动），可不予考虑自重影响。    

5 阀门所需推力之总和

阀门所需推力应考虑开启和关闭两个方向，对于套筒式阀门，鉴于其结构特点，其所需最大推力通常出现在其行程极限位置，故仅考虑阀门在全开和全关位置时所需推力。

阀门自全开位置运动至完全关闭时，所需推力为：

阀门自全关位置运动至完全开启时，所需推力为：