失气工况下核岛用气动执行机构失效模式与保护策略研究

实验显示，硼酸溶液在80℃时对氟橡胶的溶胀率比20℃时高 37% ，这就容易引发卡涩失效。为了解决这个问题，相关人员应构建包含气动 - 热 - 力三场耦合的动态模型。在气动模块里引入非定常流动方程，描述气源压力突变时气缸内气体的压缩和膨胀过程；在热模块里嵌入傅里叶热传导方程，计算阀体与介质间的温差对金属材料膨胀系数的影响；在力模块里耦合流体动力学方程，量化介质冲击力对阀杆动态载荷的贡献。通过这个模型能发现，失气工况下的失效路径不是线性传递的，而是存在“压力骤降→气缸负压→密封件溶胀→摩擦力突变→阀杆卡滞”的级联效应。比如说，当气源压力低于0.3MPa 时，气缸负压可能会让密封件边缘产生局部真空吸附，导致摩擦力瞬间增大2 - 3 倍。这时候就算弹簧力足够，阀杆也可能因为动态载荷超过材料屈服强度而发生塑性变形。基于此，动态失效模式识别的关键在于建立多物理场耦合的实时监测系统。在气动回路中布置压力 - 温度复合传感器，在阀杆上安装应变片与位移传感器，通过数据融合算法提取耦合特征参数，比如压力衰减速率与温度梯度的乘积等，再利用机器学习模型预测失效概率。要注意的是，监测系统的采样频率需高于气动系统的固有频率，通常为10 - 100Hz，不然会出现信号混叠；同时，传感器要满足核岛设备的抗震要求，比如 IEEE 344 标准中的 SSE 级抗震性能。

二、失效模式与阀门功能的强关联性

现有的执行机构设计往往采取“一刀切”的方式，没有充分考量阀门功能与失效模式之间的匹配关系。这种不匹配带来的问题十分明显，在一些场景下，保护策略过于冗余，就比如给非安全级阀门配备储气罐，从安全角度来说，并非必要之举，不仅增加了成本，还占用了核岛内宝贵的空间资源。而在关键场景中，可靠性却又远远不足。例如安全级阀门，在设计时没有充分考虑到地震和失气同时发生这种复杂叠加情况的影响，一旦遭遇此类极端工况，阀门可能无法正常工作，进而威胁到整个核岛的安全。所以，深入研究失效模式与阀门功能的强关联性，对于优化核岛阀门设计、提升系统安全性至关重要。要实现场景化定制，关键要建立“阀门功能 - 失效模式 - 保护策略”这种三维的映射关系。拿反应堆冷却剂泵出口阀来说，它最要紧的功能就是在失水事故（LOCA）的时候及时把冷却剂回路隔离开。所以，失气时需要“故障关闭”，关闭力还需能克服冷却剂压力（约15MPa）和阀杆摩擦力加起来的力。这时候，执行机构的气缸直径就要按公式计算，公式里F 是总关闭力，P 是气源压力。同时，要配备双气源回路，主气源加备用气源，这样才能保证压力稳定。对于像给水调节阀这类肩负连续调节流量重任的阀门而言，在失气这一特殊工况下，保位是更为适宜的选择。不过，这其中存在诸多需要考量的细节。弹簧刚度这一因素至关重要，从弹簧刚度公式来看，其中F 代表力，Δx 代表位移，对弹簧刚度进行优化调整是必不可少的环节。同时，密封结构的设计也不容忽视，采用金属硬密封来替代软密封，能够有效降低保位偏差，通常要求这一偏差不得超过全行程的 1% ，如此才能确保阀门在失气保位时，性能稳定可靠。场景化定制还需考虑阀门和执行机构的接口能不能兼容，核岛阀门大多用法兰连接，可执行机构和阀杆的连接方式，比如螺纹连接、键连接，对失效模式有着较大的影响。螺纹连接方式存在一定隐患，在设备运行产生的振动作用下，可能会出现松动现象，进而导致保位功能失效[2]。而键连接方式，则需要重点关注键和键槽的配合间隙，一般而言，这一间隙不能超过0.1mm，否则极易引发卡涩问题，影响阀门的正常动作。

三、保护策略的分层优化

保护策略需从“单一冗余”变成“风险优先级驱动的动态配置”。就拿安全级阀门来说，它失效后果严重度（S）和发生频率（F）乘起来 (R=S×F) ），一般都在高风险区（ ），那就要配置三重冗余，包括执行机构、气源、控制信号；要是非安全级阀门， R⩽10^- ⁵ ，那就可以使用单执行机构，并定期试验这种简化策略。分层优化的关键在于要建立一个风险优先级评估模型，这个模型要把阀门功能重要性（安全级还是非安全级）、失效模式概率（通过FMEA 分析能得到）、失效后果严重度（比如反应堆停堆、环境泄漏等）这三个维度都整合起来[3]。比如说主蒸汽隔离阀，它功能重要性是最高的 A 级，通过历史数据统计，失效模式概率是 10⁻ ⁴/年，失效后果严重度是导致全厂断电， S=5 ，那风险优先级指数（RPI）=A×10⁻ ⁴ X5=5A ，就需要配最高级的保护策略，三重冗余和在线监测结合起来。对于加热器疏水阀，RPI = 2B（B 级功能，10⁻ ⁵ /年失效概率，S = 2），那采用单执行机构每月试验的策略就可以。在动态配置的考量范畴里，保护策略的维护便捷性也是不容忽视的关键因素。三重冗余系统，从可靠性理论层面来讲，确实有着显著优势，其可靠性计算公式为 - (1-r)³ ，其中r 代表单执行机构的可靠性。通过这一公式不难看出，三重冗余系统能够极大地提升整体可靠性。然而，硬币总有两面，其维护成本也着实不低。就比如，需要定期对三个执行机构进行同步试验，以确保它们协同工作的稳定性，这一过程繁琐且耗费资源。为此，引入“降级运行”模式不失为一种明智之举。当系统检测到某一个执行机构出现故障时，它能够自动切换至双冗余模式，同时发出报警信号，提醒相关人员及时进行维护处理。倘若在双冗余模式下，又遭遇了新的故障，系统就会进一步切换到单执行机构模式，同时限制阀门操作频率，比如只能手动操作，这样就能在安全性和可用性之间找到平衡。

总结：总体而言，研究失气工况下核岛气动执行机构的失效模式与保护策略，需要跳出传统“单一参数 - 静态分析 - 通用设计”那种老套的范式，往“多物理场耦合 - 场景化定制 - 风险优先级驱动 - 全生命周期闭环”的新路径上发展。通过构建动态失效模型、定制场景化的保护策略、优化分层配置方案，核电厂在极端工况下的安全裕度和运行经济性能明显提升。以后的研究还需进一步把数字孪生、人工智能这些前沿技术融合进去，实现失效模式的实时预测和保护策略的自适应调整，这样核能安全才能更有保障。

参考文献：

[1]张邓杰，秦飞，余刚峰．核电厂常规岛失气后系统控制策略优化研究[J]．核动力工程，2024,45(1):112-117.

[2]邱桂东，温帅．核电厂气动角型调节阀常见问题及处理方法[J]．卷宗，2021,(25):1-4.

[3]张文广．燃气轮机气动执行器的故障诊断与试验研究[D]．保定：华北电力大学(保定)，2023.