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敏感性分析在爆破阀研发中的应用

发布于:2015-11-12 15:40

  摘要:在爆破阀研发过程中,运用敏感性分析的方法,找出对爆破阀功能影响较大的敏感变量,并通过在实验中改变敏感变量来验证爆破阀在极端条件下的可操作性,证明爆破阀设计的合理性和可靠性。

  一、前言

  爆破阀是三代核电技术CAP系列核电站关键和独有的特殊装备,其应用于压水堆核电机组在世界范围内尚属首次。在CAP系列核电站中,一个机组共设置了三个规格12台爆破阀,主要用于第四级自动卸压系统,低压安注系统以及安全壳再循环系统,其具有非常关键的安全功能,是技术难度很大的设备。爆破阀在正常工况下保持关闭状态,当发生严重事故工况,通过开启阀门信号触发爆破单元,产生的高压气体推动阀门中的活塞运动,切断阀门通径的剪切盖,阀门打开,冷却水即可进入堆芯进行冷却。同时,由于爆破阀末端通过一体式的剪切盖封闭,不存在泄露的可能性。爆破阀是核电站重要的安全设备,有很高的可靠性要求,受到开启信号时必须可靠打开。

  敏感性分析是常用于投资项目和国民经济评价的不确定性分析方法,近几年在工程项目上也有比较广泛的应用。敏感性分析是指从定量分析的角度研究有关变量发生某种变化对某一个或一组关键指标影响程度的一种不确定分析技术,其实质是通过逐一改变相关变量数值的方法来解释关键指标受这些变量变动影响大小的规律。

  敏感性分析在工程应用上,可以帮助产品找出影响功能的敏感变量。鉴于爆破阀的重要性,在爆破阀研发过程中,运用敏感性分析的方法,分析对阀门功能有影响的变量,并找出对阀门功能有重大影响的敏感变量,在后续试验中改变敏感变量来验证爆破阀在极端条件下的可操作性,证明爆破阀设计的合理性和可靠性。

  二、敏感性分析

  1、方法确定

  爆破阀的功能可以在事故工况下可靠地打开。首先,定义实现爆破阀开启功能的主要动作;接下来,将这些主要动作再进行细分成可影响这个动作的变量,这些二级的变量必须进行分析并按照正常设计条件下进行百分比量化。当变量表面变化超过3%时应认定为阀门功能的主要影响变量即敏感变量,这意味着即使这个参数按照设计限制的制造公差和材料规范仍能产生超过正常设计参数3%的偏离,需要进行试验验证;当变量表明变化小于3%时应认定阀门功能的微小影响变量。这些微小变量则不需要进行试验验证。

  2、功能分解

爆破阀结构图

  爆破阀结构简图如上图所示,爆破阀的开启过程描述如下:首先,发出信号点燃安装在阀盖中的药筒驱动装置;然后点燃后的药筒驱动装置产生足够大的压力,拉断安装在阀盖下方的拉紧螺栓,并推动活塞快速向下运动;活塞产生足够的动能剪切盲管(又称为“剪切盖”);完成剪切剪切盖后,活塞撞击缓冲组件止动,同时,在整个开启动作过程中,阀门不应产生飞溅物,保持压力边界的完整性。定义开启过程的主要动作要素有:产生的压力、拉紧螺栓的拉断、活塞功能、剪切、活塞的止动及压力边界的保持。

  根据以上确定的方法,确定主要动作要素后,再找出影响这些动作的二级变量,并进行逐一的敏感性分析。

  3、分析应用

  (1)产生的压力 初始药筒体积离的压力必须产生足够的力拉断吊住活塞的拉紧螺栓。确定的变量有装药量、火药初容、颗粒大小以及阀体/活塞间隙。

  装药量:在制造过程中可以控制火药剂量的公差为1g,这个公差不到额定装药量的1%。可以认为装药量的变化是受控的,所以装药量是为敏感性分析的忽略变量。

  火药初容:根据内弹道分析,初容对产生的压力影响很小,如初容从1900000mm3变化到2500000mm3(变化为31.6%),保持其他参数不变,其输出能量的变化仅为0.6%,而在实际制造过程中,初容可以控制在5%之内。可以认为火药初容不会对阀门功能产生有意义的影响,为敏感性分析的忽略变量。

  颗粒大小“在火药制造过程中对火药颗粒进行严格控制,并进行100%的检查,可以认为颗粒大小是敏感性分析的忽略变量。

  阀体/活塞间隙:根据计算,得到爆破阀阀体/活塞间隙的Cv值最大值为15,这个Cv值相当大,足够对阀门的功能产生影响,所以阀体/活塞间隙为敏感性分析的主要影响变量。

  (2)拉紧螺栓的拉断 爆破阀安装时,阀门内部拉紧螺栓吊住活塞。其设计有一个特殊的截面,这个截面成为削弱槽,当产生的压力超过了削弱槽的载荷能力,拉紧螺栓将在这个截面分离。点火之后,阀门内部建立压力直到达到拉紧螺栓削弱槽的最大载荷,一旦超过这个载荷,拉紧螺栓将被拉断。这个最初建立的压力和积蓄的能量对活塞脱离拉紧螺栓后的加速是很重要的。拉紧螺栓拉断的变量是削弱槽面积和拉紧螺栓材料强度。

  削弱槽面积:根据计算,在尺寸公差的限定范围内,削弱槽面积的变化小于1%,可以认为削弱槽面积是敏感性分析的忽略变量。

  拉紧螺栓材料强度:拉紧螺栓材料,其抗拉强度控制在一定范围之内,抗拉强度的变化一般超过3%。可以认为拉紧螺栓材料的强度是敏感性分析的主要变量。

  (3)活塞动能 拉紧螺栓拉断后,压力作用在活塞上使活塞加速到一定的速度剪断剪切盖。当剪切盖是固定的时候,活塞的能量主要取决于活塞的质量和速度。影响活塞动能的变量主要有装药量、阀体/活塞间隙、拉紧螺栓拉断时的压力、活塞的质量和剪切前活塞的行程。其中多个变量已经在前面分析过,这里对活塞质量和活塞的行程进行分析。

  活塞质量:活塞的主梁根据图样的公差进行计算分析,由于设计公差产生的质量偏差可以控制在1%之内。可以认为,活塞质量为敏感性分析的忽略变量。

  活塞的行程:爆破阀设计行程固定,由各个零件的设计公差累计造成的行程偏差可以控制在3%之内,可以认为,活塞行程为敏感性分析的忽略变量。

  (4)剪切 一旦拉紧螺栓被拉断,活塞就加速地冲向剪切盖。剪切盖的设计有薄弱截面。在剪切剪切盖之前,活塞必须有足够的动能来发起剪切和完全的剪断剪切盖。剪切盖设计为一定的能量作用于剪切区域时即被剪断。影响剪切的变量有剪切面积、剪切盖材料性能和流体内压。

  剪切面积:剪切面积主要由剪切盖端部外径和剪切盖内径决定,设计中严格规定了公差,由设计公差造成的剪切面积变化可以控制在1%之内,可以认为剪切面积为敏感性分析的忽略变量。

  剪切盖材料性能:剪切盖的材料为690合金,其材料性能直接影响剪切所需的能量。根据690合金技术条件,其抗拉强度为586~690MPa,伸长率为0.46~0.58,对剪切盖力学性能的控制采用了抗拉强度乘以伸长率,其变化率上下浮动6%,表明剪切盖材料的性能对剪切所需的能力影响较大,剪切盖材料性能为敏感性分析的主要影响变量。

  流体内压:剪切盖在实际使用时内腔将充满带有一定压力的介质,通过模拟仿真分析,流体内压造成剪切区域的应力变化很小,基本上可以忽略不计,可以认为流体内压为敏感性分析的忽略变量。

  (5)活塞的止动 剪切过后,压力继续驱动活塞使之继续加速运动直至撞击到能力吸收装置。缓冲装置必须能吸收足够的能量防止活塞回弹和没有太多的能量能击溃缓冲装置。缓冲装置的主要变量有缓冲管的吸收能力和接触缓冲装置时的行程。

  缓冲管吸收能力:缓冲管可以提供范围非常广泛的变形区间,意味着能够提供非常广泛的能力吸收范围,根据计算确定的缓冲管数量有足够的裕度,可以认为缓冲装置的吸收能力为敏感性分析的忽略影响变量。

  接触缓冲装置的行程:设计的行程是固定的,由各个零件的设计公差累计造成的行程偏差可以控制在3%之内,可以认为,接触缓冲装置时的行程为敏感性分析的忽略变量。

  (6)压力边界的保持 阀门功能的最后一项评定是压力边界的保持。一旦阀门打开,阀门就变成了流动系统的一部分,阀门必须能够保持暴力边界的完整。没有一个直接变量的变化能够导致阀门压力边界的失效。在设计阶段,承压边界的设计都有足够的设计裕度。可以再验证试验中验证阀门压力边界的保持能力。

  三、验证试验

  根据敏感性分析结构,验证试验将设计验证阀门操作的两种极端情况。第一种极端为极端小,这种极端的失效模式为没有产生足够的能力剪断剪切盖。这种极端情况通过降低20%的初始装药量和调整敏感性变量来模拟作用在剪切盖上的剪切能量为最小,剪切盖的剪切也根据敏感性分析的结论进行增加,这样剪切盖需要更大的能量才能完成剪切。这个增量可能导致阀门不能成功地剪断剪切盖。第二种极端为极端大的情况,设计为剪断剪切盖后承受最大的能量。这种极端情况的失效模式为成功剪断剪切盖后过剩的能力毁坏阀门阀体或其他组件。这种极端情况通过增加20%的初始装药量和调整敏感性变量来模拟作用在剪切盖上的剪切能量为最大。剪切盖的剪切面积也根据敏感性分析的结构最小,这样剪切盖只需要更小的能量就能完成剪切。这个剪断剪切盖后后过剩的能量可能毁坏阀体或其他组件。这两种极端情况将在验证试验中对爆破阀进行试验,来证明设计始终了充足的能量来成功地剪断剪切盖,同时也证明绝不会有多余的过剩能量在成功剪切后毁坏阀体或其他组件。

  四、结语

  在爆破阀的研发过程中,运用敏感性分析的方法,对影响阀门功能的关键变量注意分析,根据以上分析表明,阀体/活塞间隙、拉紧螺栓材料性能和剪切盖材料性能是爆破阀功能的敏感性变量,应对其重点关注,并设计合理的验证试验方案,在验证试验中进行充分的试验验证,以证明阀门的最终设计中,以上的主要影响不会对爆破阀产品的功能产生有效的影响,阀门的功能是稳定可靠的。

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