0 引言
调节阀作为过程控制行业中最常用的终端控制元件，在过程控制中起着极其重要的作用。用于接收信号，根据调节器输出改变阀门开度，调整工艺参数，使其趋于预期，其应用质量直接反映在系统的调节质量上。
核气动调节阀设计的正确选择是确保调节阀正确合理应用的基础和关键；错误的设计选择不仅会影响系统的稳定性，还会威胁到整个工业生产过程的安全性。
目前，我国核电机组使用的调节阀大多为气动调节阀。由于气动调节阀的种类和规格多样，设计和选择要求设计师具备多种专业的背景知识。与传统行业相比，核电站对气动调节阀的功能、环境、使用寿命、设备可用性和可靠性要求较高。这使得核电气动调节阀的选择更加困难和重要。
1 气动调节阀选型
1.1 输入条件及选择原则
气动调节阀的选择应综合考虑工作条件、调节要求、环境条件、使用寿命、安装维护和成本性能等因素。此外，工程经验在选择气动调节阀的过程中也发挥着重要作用。
一般而言，气动调节阀选型所需的输入条件包括以下几个方面。
①工艺参数：主要包括介质类型、上下游压力及相应的流量要求、管道设计温度和压力、阀门上下游最大压差等。如果有较差的瞬态条件，也应明确瞬态条件。
②工艺系统控制要求：主要包括工艺系统故障位置的设置要求和基本调整要求以外的其他控制要求（如是否有快速开关要求、电磁阀、远程阀位指示要求、手轮等辅助装置）。
③工艺连接方式(如法兰连接、焊接等)及材料要求。
④密封和泄漏要求：从工艺系统设计的角度明确阀门泄漏率（内部泄漏）的要求；对于有毒、高温、高压或放射性介质，或当工艺过程对密封要求较高时，应明确填料函的要求，防止介质泄漏对运行安全稳定性和经济性的影响。
⑤尺寸及布局要求：考虑到现场安装和维护，对外观尺寸提出了限制。
⑥环境条件：安装在易燃易爆区域的阀门应考虑防爆要求。
⑦鉴定和分类：主要包括阀门RCCM制造规范等级，电气附件RCCE在设计基准事故下，鉴定等级、抗震分级、防爆分级及可用要求等。
⑧质保与清洁度要求：根据介质情况，明确质保与清洁度的要求。
⑨其它特殊要求。
1.2 气动调节阀的选型工艺
1.2.1 鉴定要求
对于核阀门来说，能够满足识别要求是阀门选择和应用的最基本前提。核阀门选型时，应首先按照《压水堆核电站核岛机械设备设计施工规则》（RCCM）、《核岛电气设备设计与施工规则》（RCCE）审查阀门的鉴定等级、抗震分级和设计基准事故要求，确保阀门满足鉴定要求。对于不能满足评估要求的阀门，阀门应通过评估或更改选择。
1.2.确定2 结构形式
根据实际生产中的工艺条件（温度、压力、流量等）、工艺介质特性（如粘度、腐蚀、颗粒、无毒等）、调节系统要求（调节范围、泄漏、噪声）、管道布置、空间条件等。
一般而言，在流量、压差和泄漏量小的场合，选择单座调节阀即可满足生产需要；套筒调节阀最适合应用在介质压差和振动大的场合；蝶阀虽然结构紧凑，但调节性能和关阀密闭性能较差，一般适用于低压差、大流量、泄漏量要求不高的场合，尤其适用于浓稠浆状及含有颗粒介质的情况。此外，角阀适用于高黏度、含悬浮物和颗粒状流体的场合或要求用直角配管的地方；与普通的直通单座阀相比，角阀具有防堵性能好、流阻小以及流量系数比单座阀大等优点。这几种结构的调节阀在核电站中的应用都较为普遍。
1.2.选择3 流量特性
调节阀的流量特性可以表现为固有的流量特性和工作流量特性。固有的流量特性分为线性、等百分比（对数）、抛物线和快速打开。在实际情况下，阀门的工作流量特性与固有流量特性相比会有一定的变化。因此，在确定调节阀的流量特性时，也应充分考虑变形的影响。对于串联管道，压降比越小（调节阀控制的最大流量对应的阀门进出口差压与系统差压比），工作流量特性与固有流量特性之间的偏差越大。目前，线性和等百分比是国内核电站应用最广泛的形式。
可根据控制原理中的补偿原理选择调节阀的流量特性，如压降比、被控对象特性和负荷变化；也可根据以往类似工况的经验和设备供应商阀门的实际固有流量特性进行选择。
1.2.4 阀门口径的确定
阀门的流量系数和可调比是表示阀门循环和调节能力的重要参数，也是选择调节阀的主要参数之一。由于工艺系统条件不同，在某些情况下，阀门需要有较宽的调节范围。目前，国内阀门的可调比一般为30个。根据流量系数和可调范围的计算，结合制造商的产品特点，可的阀门直径，以满足工艺系统的设计需要。
1.2.5 电气附件的选择
气动调节阀的电气附件主要包括电气转换器、定位器、限位开关、电磁阀等。在满足过程控制要求的基础上，还应重点检查这些附件的识别等级是否符合要求。
近年来，智能电气转换定位器在普通工业阀中的份额逐渐增加。到目前为止，智能电气转换定位器的核级评估还没有完成。目前，国内外只有FISHER的FIELDVUE硬件部分已通过鉴定试验，软件部分的鉴定试验尚未完成。因此，在国内核电机组中，有核级鉴定要求的阀门仍然使用电气转换器 定位器。
另外，对于有K一级鉴定要求的限位开关还应注其自带电缆是否与开关本体一起通过K一级质量鉴定，确保其能满足高温高湿条件下的密封要求。
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1.2.6 其他精细设计
在完成上述初步选择和计算步骤后，还应对管道设计和工艺系统调整的具体要求进行以下详细设计。
①材料选择：调节阀承压部件的材料应充分考虑介质的温度、压力和腐蚀性，节流阀组件应具有良好的耐腐蚀性和耐冲刷性。核阀的材料应满足要求RCCM相关要求。
②设计应保证调节阀能满足阀门气开、气闭、阀门气路、执行机构动作等工艺系统的控制要求。
③阀门的内部泄漏和外部泄漏应满足工艺系统的设计要求。为了解决阀门泄漏问题，核电站有一种特殊的填料函结构，即双填料的密封方法。双填料密封组件有两组串联阀杆填料，主要用于高压介质，或高辐射介质，需要防止介质泄漏，也可用于高真空。在国内核电机组中，波纹管密封和双填料带泄漏密封方法得到了广泛的应用。
④检查阀门的连接方式和尺寸是否符合现场要求。
⑤关闭压差和允许压差：在选择执行力时，应关注阀芯全关闭时的压差。所选阀门的最大允许压差应大于关闭压差，以防止关闭或打开。
⑥汽蚀与闪蒸：阀门的设计应避免汽蚀与闪蒸，必要时可采用耐腐蚀或耐闪蒸的结构。
⑦噪声：调节阀是自动控制系统中最大的噪声源。当噪声超过相关规定（一般为85dB），低噪声结构应考虑。
⑧可维修性和性价比。
2 核电气动调节阀现状
由于核电行业的特殊性，气动调节阀在行业应用中也需要满足一系列特殊要求。《压水堆核电站核岛机械设备设计建设规则》（RCCM）以及《核岛电气设备设计与施工规则》（RCCE）在中国，对核阀的制造和鉴定提出了非常详细的要求。这些要求是保证核电设备安全性和可靠性的重要保证，也是区分核电设备和普通工业阀的重要因素。
此外，核电设备在设计和功能要求上也有一定的特殊性，使核电阀的选择更加复杂，如下所示。
①耐辐射性：由于部分阀门安装在高辐射区域，对阀门及其电气附件的材料选择和设计提出了一定的要求。为了保证一定的使用寿命，必须对这些环节进行特殊设计。
②密封性能：由于部分介质是高放射性或高温高压介质，一旦泄漏到空气中，会带来很大的安全风险。为防止阀门泄漏，对波纹管或双填料密封等填料函的设计提出了更高的要求。
③结构稳定性：地震时仍需使用部分阀门。
④水淹:部分阀门在水淹时需要使用。
⑤事故瞬态：一些阀门需要在非常恶劣的瞬态条件下使用。
⑥阀门的分体安装和气路：由于部分阀门的管道振动较大，部分阀门的安装区域为高辐射区域或其他不易接近的区域。为了保证阀门的性能，方便操作人员的维护，阀体和电气附件应单独安装。
⑦限流块及其可调性：部分特殊阀门在正常运行过程中不需要全程可调，为防止误动，设置位置可变的限流块。
⑧高稳定性：为保证核电安全可靠运行，设计的阀门必须具有较高的稳定性。
⑨可拆卸性：放射区内的阀门应具有良好的可拆卸性，以尽量减少维修人员在现场的停留时间。
核电站气动阀的特殊技术要求很多，以上只举了一些常见情况。正是由于这些特殊要求，只有取得相关资质的供应商才能供应核级阀。目前，国内只有上海自动化仪七厂、中核苏阀、浙江三方厂家供应核级阀。
与国外成熟的调节阀产品相比，国内调节阀寿命短、稳定性差，产品性能和稳定性不能保证，国内调节阀仍被国外供应商垄断，独立品牌较少。此外，目前国内阀门厂的核资质证据收集不完善，核产品类型不完整，特别是对于技术要求高的调节阀，国内阀门厂在设计、证据收集和试验验证方面仍存在很大问题。
虽然国内品牌在中低端市场占有很大份额，但国外品牌占据核调节阀高端市场的模式远未打破，国内核电调节阀产品仍有待进一步开发。
国内阀门制造商已经意识到这一点，并积极推动核级调节阀的开发。以上七家工厂为例，该公司于2010年12月与英国合作IMI公司成立了一家专门引进、消化和吸收核电调节阀技术的合资企业。中国核电工程有限公司与鞍山电磁阀厂合作开发的核电磁阀就是其中之一。
3 总结设计经验和反馈
结合各项目的设计、采购、调试和运行反馈，分析总结了选型过程中存在的特殊性和难点。
3.1 执行机构的特殊设计
位于余热排出系统换热器的旁通管线上的RRA013VP属于安全二级，抗震1A类阀门。阀门需要在洪水和设计基准事故下使用。阀门应能够承受热瞬态冲击，并在失气状态下至少保持原位。M在310机组设计中，该阀门属于技术要求较高、功能较重要的调节阀。在目前的市场情况下，只有FISHER公司能够提供此类产品，具有一定的垄断性。因此，研究该阀门的产品结构原理，对于推进设备的国产化意义重大。
RRA013VP作为一种重要的核二级阀门，除了核设备的材料和制造的一些特殊要求外，其特殊性还体现在水淹和保位设计上。由于阀门要求在水淹条件下仍可用，必须特别考虑阀门气路的设计。FISHER该公司早期推出的产品是活塞执行机构。这些产品在中国大亚湾和岭澳一期核电站运行良好。但近年来EDF法马通的要求，FISHER将原活塞式执行机构更新为气动膜式执行机构，并通过水淹试验验证。
对于可能在洪水条件下进入的气动膜头或气缸结构，执行机构可以分体安装在较高的位置，以避免洪水深度。但对于必须安装在阀体上方的阀门定位器，需要特殊设计，以确保其可用性。在早期的阀门设计中，FISHER公司将定位器设置在气缸结构的顶部，并在定位器上增加了一根排气管，以防止定位器的排气口被淹没，以确保定位器的排气出口压力是大气压力，而不是大气压力和水压。为了完全解决这个问题，FISHER20公司淹没在水下m考虑到设计，对不增加排气管的定位器进行了测试和验证。试验假设执行机构的各个环节（如隔膜内部、过滤减压阀等）已进水，进水压力应等于空气压力 20m水柱。试验结果表明，当最小气源压力大于480时，kPa时，FISHER该定位器可满足水淹试验的要求。因此，目前FISHER公司设计的调节阀不再需要在定位器上增加排气管。
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3.2 大可调比阀的选型设计
RRI155VN是M在310机组中选择另一个更困难的阀门。该阀用于控制RCV在不同工况下，阀门所处的工艺系统的参数变化很大。以岭澳二期核电站为例，RRI155VN选择结果如表1所示。
表1 RRI155VN选型结果
根据计算结果，阀门要求流通能力大，可调范围广，可调比高。
大亚湾和岭澳一期，RRI155VN选用的是AMRI公司的蝶阀。根据运行经验反馈，在正常运行条件下，该型号的阀橡胶衬里在循环周期内损坏，衬里损坏，导致阀门调节性能差。分析后，由于阀门往往在小流量开度范围内，水流通过蝶板背面容易产生漩涡和低压区域，导致腐蚀；阀衬橡胶材料作为有机材料，易老化，进一步腐蚀。内衬腐蚀后的阀门调节性能较差，腐蚀后的橡胶碎片进入管道也可能导致其他设备异常。
此外，操作人员还反馈说，阀门在小开度下的调节性能较差。但一般来说，调节阀不能在小开度下获得最佳的调节性能。为了从根本上解决这个问题，只能通过修改管道设计、增加旁路和设置两个调节阀来实现。该方案可以从根本上解决当前阀门不能考虑多种工作条件的调节精度的问题，但设计从根本上改变了系统布局和设计，控制系统也发生了很大的变化，需要进行大量的工程分析和风险评估。设备的增加也会导致采购成本和后期维护成本的增加。经咨询，法国类似的电站没有类似的改造经验反馈。蝶阀在大亚湾和岭澳一期的最初设计中被选择，因为阀门的闭环回路不需要准确调整。市场调查发现，其他结构形式的调节阀很难满足如此大的可调比要求。FISHER以公司阀门为例，查询FISHER不难发现，为了满足我们的设计要求，需要购买更大口径的阀门。阀门布置在N核辅助厂距地面5m在这个地方，布局空间很小，阀门直径扩大后的形状尺寸远远大于这个地方的布局空间。此外，如此大规模的直径扩大对管道介质的干扰必然会影响管道的流动状态，从而进一步影响调整效果。
在这样的情况下，再结合大亚湾和岭澳一期的运行情况，尽管小开度情况下调节性能仍无法达到最优的效果，但被调量的波动范围均能满足工艺系统的设计要求。经过上述分析和调研之后，在设计时将选型与改造的重点放在了寻找既可满足大可调比又具有较长使用寿命的阀门方面。
岭澳二期自主设计选型期间，对多家供应商的产品进行了调查，最终在VERDELET在提供的两套选择方案中案FRAMATOME技术改造时相同的一套方案，即采用“ZMATIC型蝶阀。该阀门为全金属结构，蝶板结构优化了流体通过阀门时的压差分布，避免了腐蚀，解决了大亚湾和岭澳一期阀门衬里的腐蚀问题。阀门可调节相对较宽，RRI155VN所用工况点对应的蝶板旋转角度可控制在14°～74°在此之间，基本上可以满足最小流量条件下的调整要求。目前，岭澳二期阀门运行良好，无不良反馈。
3.设计三通调节阀
三通调节阀作为一种特殊结构的调节阀，可用于分流和合流，而不是两个直通单座调节阀。它的选择不同于普通的两通阀。
3.3.选择1 流通能力
以M310机组辅助供水系统ASG160VD例如，阀门的专业设计要求如表2所示。
表2 ASG160VD设计技术要求
阀门是分流阀。从表2可以看出，随着行程的逐渐增加，阀门两个出口方向的流量逐渐增减，但总流量保持不变。对于合流阀和分流阀，应重点关注流过阀的总流量是否符合设计要求。
在与设备供应商沟通的过程中，发现一些制造商提供了流通能力高于设计要求值的阀门。然而，在随后的项目调试过程中，发现过高的流通能力会降低管道压力和电阻值，导致上游泵的过流。因此，对于此类阀门，应与设备制造商充分沟通，尽量使阀门接近设计要求值。
3.3.2 故障安全位置的特殊性
三通阀除了在流通能力方面与两通阀不同外，在故障安全位置的设计上也具有特殊性。三通调节阀采用阀芯本身的方向，更换气开和气关时必须更换执行机构。因此，在要求三通阀的故障安全位置时，必须明确故障开启（关闭）时的位置类型，否则可能导致阀门不可用。
4 结束语
与普通工业阀相比，核电气动调节阀的设计条件复杂多变，工作环境恶劣，对功能、可靠性和安全性有更特殊、更严格的要求。因此，在核电气动调节阀的选择和设计过程中，在保证阀门正常调节性能的基础上，也应充分考虑核电阀的特殊性，即辐照、密封、压力、特殊工况点调节范围、系统设置可接受的压力损失、特殊工作环境等要求。有针对性的特殊设计、完整的试验或应用性能证明，核电调节阀确保了核电阀的安全性和可靠性，这是核电阀选择的关键方面，也是阀门定位过程中不可或缺的重要环节。
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