核电厂一般设计有大气排放系统，主要用来当二回路不需要蒸汽或无法接收蒸汽时，将蒸发器产生的蒸汽受控排放到大气。在蒸汽受控排放到大气的过程中，主要利用大气释放调节阀对蒸汽发生器压力进行调节。如果大气释放调节阀拒动或调节故障，可能导致蒸汽发生器超压或蒸汽过量排放，均有可能严重威胁核电站的安全稳定运行。
随着工业的发展，对实际工况中各种场合的调节阀都提出了高温、高压、高压差等要求。2018年，某三代核电机组正在联合调试阶段，在机组处于热停堆备用状态，蒸汽发生器压力为90 bar，大气释放调节阀在40%开度的初始状态，上游大气释放隔离阀处于全关状态。在执行调试试验以验证大气释放调节阀能否正常调节蒸发器压力的初期，发现多个大气释放调节阀因为触发力矩过载而停止响应蒸汽发生器压力调节。
本文主要针对该先导式调节阀的设计在受到上游压力冲击的工况下无法正常工作的情况，找出阀门力矩过载而拒动的原因，采取针对性的改进措施，最后通过诊断测试验证措施的有效性。
由于核电厂大气释放调节阀口径较大，且阀门上下游压差较大，因此需要广泛使用先导式调节阀。根据驱动机构的形式分类，主要有气动调节阀和电动调节阀，其阀体结构主要包括主阀瓣、先导阀瓣、弹簧和阀笼。先导式调节阀的主要设计特点和原理如图1所示，当阀门处于关闭状态时，主阀瓣上下存在较大压差。当要开启阀门时，阀杆带动先导阀瓣开启，主阀瓣上部腔室的高压蒸汽通过图1中的压力平衡通道泄压，使驱动机构能顺利开启阀门。先导式调节阀的关键要求为当阀门处于非全关状态时，阀芯内的弹簧力使先导阀瓣离开主阀瓣，主阀瓣上下压差平衡，有利于阀门开关和正常调节。先导式笼式调节阀比普通笼式调节阀多了一个阀门背压力，在相同工况的情况下，满足密封条件的先导式笼式调节阀只需要选择驱动力较小的执行机构。 
图1 大气释放调节阀系统布置和结构 本文所提到的该三代核电机组的大气释放调节阀为电动调节阀，在试验初始阶段，蒸发器蒸汽压力接近89 bar，调节阀虽然在40%开度，但由于上游隔离阀在关闭状态，无蒸汽介质通过调节阀。试验开始时，上游隔离阀迅速开启时，根据调试程序的预期，大气释放调节阀应该立即关闭并开始维持蒸汽发生器压力或控制蒸发器压力缓慢下降。然而在试验开始后，电动调节阀开始关闭的瞬间就发生驱动机构触发力矩过载而停止调节，经过初步排查和分析，基本排除阀门开关阻力偏大和驱动机构力矩定值偏小的可能性，重点分析阀门设计不满足运行工况的情形。
3.1 系统运行工况
该三代核电机组的大气排放系统如图1所示，主要由一个隔离阀和电动调节阀组成。正常运行时，隔离阀为常关状态，电动调节阀的阀位在一个40%~100%期间的预设开度。当机组运行中需要将蒸汽排放到大气中时，隔离阀快速开启，电动调节阀根据需求开始调节主蒸汽压力。本次联调试验目的就是验证隔离阀快速开启，电动调节阀能否正常调节主蒸汽压力。试验工况引起的蒸汽压力冲击会作用在阀杆头部，因此在阀杆上产生不平衡的上下方向的力，进而引起阀门开度变化。
3.2 阀门设计与运行工况的匹配分析
先导式调节阀在驱动机构的选型过程中，没有考虑先导阀未开启导致主阀瓣压差未平衡的情况。因此当先导阀未开启时，可能导致驱动机构无法克服高压差所导致的不平衡力。甚至有些通流能力偏小的先导阀在高压差的情况下，也存在驱动机构无法克服主阀瓣压差而出现拒动的情况。例如某热电厂汽轮机高压调节阀无法开启，最后厂家通过对先导阀通流孔进行扩孔才解决问题。如3.1节系统运行工况所述，在进行调试试验前，大气释放调节阀的初始状态是40%开度，先导阀的压力平衡通道畅通。然而，试验开始的瞬间，上游隔离迅速开启，高压蒸汽瞬间在主阀瓣下方形成高压区域，在高压介质的作用下，主阀瓣向上运动，压力平衡通道瞬间关闭，主阀瓣上下压差（即背压力与出口压力之差）无法平衡，导致阀门开关阻力异常增大。因此，推测该阀门设计不满足该特殊运行工况的要求，即主阀瓣存在较大的压差（阀门设计未考虑的压力冲击工况），介质作用力远远超过驱动机构力矩的设定值，进而导致驱动机构力矩过载。试验前后大气释放调节阀的状态如图2所示。  
4.1 改进措施
根据前文的分析和验证，基本判断大气释放调节阀在调试试验期间出现过力矩动作的原因为阀门设计不满足运行工况要求。不满足的主要矛盾点为，阀门初始状态在非全关状态，上游隔离阀快速开启时，高压蒸汽瞬间将先导阀的平衡通道关闭，导致主阀瓣上下压差无法平衡，驱动机构无法克服不平衡压差而产生力矩过载。在与阀门厂家和设计方共同充分论证后，采取了以下一系列改进措施，以消除该运行工况下，主阀瓣上下压差无法平衡的设计缺陷。
（1）提高驱动机构力矩定值并增加力矩延时，避免高压蒸汽对阀瓣冲击产生的峰值（脉冲）可能导致的力矩过载，同时评估对阀门强度计算无影响。
（2）增加压力平衡孔，在阀笼中上部侧面开3个压力平衡孔，当先导阀关闭后，仍有压力平衡通道以平衡压差，同时评估对系统运行无影响。
（3）增加压差平衡时间，上游隔离阀开启后增加延时5 s该电动调节阀才开始响应，确保主阀瓣上下压差有足够的平衡时间，同时评估对安全分析无影响。
4.2 改造前后效果对比
为了确定调试试验期间阀门驱动机构力矩过载的根本原因，通过专用工具进行诊断测试以辅助判断阀门的受力情况。运用电动阀诊断测试工具和分析方法[9,10]，在阀门驱动机构上安装电压、电流、开关通断量传感器，在阀杆上安装应变传感器，通过数据采集仪同步采集阀门开关过程中的电机电压、电流、电装控制开关动作逻辑、动作时序及阀杆受力等相关曲线、参数。在数据分析系统中对采集的曲线和参数进行分析，结合阀门机械结构和动作过程来评价电动阀的整体工作性能。改进前后诊断试验结果对比分析如图3所示。 
4.2.1 改造前诊断试验分析
如图3所示，结合系统运行特性和阀门诊断测试数据，可以判断图中所示特征点与阀门实际动作过程的对应关系。分析发现改造前从上游隔离阀开启到压差完全平衡的时间达到28 s，导致该阀门经常发生驱动机构过载而力矩动作的故障。
特征点1：上游隔离阀开启。上游隔离阀开启后高压蒸汽冲击导致该阀门的先导阀关闭，主阀瓣的不平衡压差让阀杆感应到约73000 N的压应力，已经远远超过阀门设计计算报告中的先导阀弹簧预紧力23500 N。
特征点2：驱动机构开始输出。上游隔离阀开启后延时约1.5 s后该阀门驱动机构开始输出扭矩，但由于驱动机构无法克服介质压差而引起力矩开关动作，驱动机构停止输出。
特征点3：压差平衡过程。驱动机构停止输出后，主阀瓣上下压差逐渐平衡，阀杆感应的压应力逐渐减小。
特征点4：压差完全平衡。主阀瓣上下压差逐渐减小，约28 s后弹簧力克服压差开启先导阀并迅速平衡压差，阀杆应力接近为0。
4.2.2 改造后诊断试验分析
经过采取4.1节所述的改进措施后，再次进行调试试验和带载诊断试验，期间大气释放调节阀驱动机构力矩过载的现象没有再次触发，彻底解决了主阀瓣上下压差不平衡导致驱动机构力矩过载的问题。
执行第4.1节中的第（2）条“增加压力平衡孔”后，多次试验发现阀门开关无异常，验证阀笼上部新增压力平衡孔，不会影响阀门的开启性能。
利用类似4.2.1节的分析方法，分析判断在上游隔离阀开启到该阀门主阀瓣通过压力平衡孔完全平衡压差的时间约为0.15 s，相比改造前大幅缩减。
第4.1节中的第（3）条“增加压差平衡时间”后，由于增加平衡孔后只需要0.15 s来平衡压差，因此5 s的延时动作时间能确保该阀门动作前主阀瓣的压差已经平衡，能够有效避免不平衡压差造成驱动机构力矩过载。
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