毒物注入閥故障診斷與改進

王曉峰

（中核核電運行管理有限公司維修五處，浙江海鹽 314300）

0 前言

氣動閥是核電站的常用設備，不僅數(shù)量多，而且在系統(tǒng)運行中起著重要作用。秦三廠引進的AOV（氣動閥門）診斷裝置，通過測量氣動閥及主要附件的特征參數(shù)，診斷氣動閥及附件的調節(jié)性能，密封性能、動態(tài)響應能力等方面的性能是否滿足設計要求，判斷氣動閥在運行一段時間后的降質情況，為后續(xù)制定氣動閥維修維護計劃提供依據(jù)。

1 AOV診斷裝置

AOV（Air-operated Valve）診斷裝置是校驗和測試氣動閥門的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要用于閥門設計數(shù)據(jù)的校驗；閥門的行程、位置開關、閥桿和填料力矩的調節(jié)；I/P和定位器的校驗；閥門故障的診斷等。AOV診斷系統(tǒng)由便攜式數(shù)據(jù)采集單元、配有多通道信號采集模塊的主機和便攜式電腦3部分組成（圖 1）。

圖1 AOV診斷裝置

AOV診斷裝置使用過程中，根據(jù)需要測量的參數(shù)類型選用不同的數(shù)據(jù)采集元件和相應的信號采集模塊，將處理過的信號送入便攜式電腦，經過專門的軟件分析、計算，最終得到需要的數(shù)據(jù)和曲線，并可以對圖形進行注釋、編輯，如圖2所示。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量大、精確度高（數(shù)據(jù)可以精確到小數(shù)點后3位）、圖形的繪制全部由電腦自動完成，具有測量數(shù)據(jù)準確、數(shù)據(jù)分析方便，圖形簡潔美觀等特點。

2 毒物注入閥工作原理

秦三廠2#停堆系統(tǒng)是重水堆特有的停堆系統(tǒng)。6個毒物注入閥的作用是當主控室發(fā)出停堆信號后，用氦氣貯存箱內的高壓（≥7.88 MPa）高純氦（99.999%）將 6個毒物罐（約500 L）內的硝酸釓（GdNO3）重水溶液（正常濃度＞7.1×10-3），即所謂的“毒物”快速壓入反應堆芯內，以迅速終止鏈式反應、降低反應堆功率水平,達到停堆的目的。

圖2 閥門性能測試曲線

圖3 快速排氣閥結構示意

毒物注入閥氣缸頂蓋配有5個快速排氣閥（圖3）用于快速進氣、排氣?？焖倥艢忾y在電磁閥得電時，進氣管線中的的壓力大于氣缸內部壓力，儀表壓空通過電磁閥進入快速排放口的入口經出口到閥門氣缸，壓縮彈簧使閥門關閉。電磁閥失電時，進氣管線中的壓力小于氣缸內部的壓力，電磁閥先將快速排氣閥入口到電磁閥的儀表壓空管中的氣排空，閥門氣缸的儀表壓空通過快速排氣閥出口往排放口排氣，不再通過電磁閥排出氣缸的氣，彈簧復位使閥門打開，達到快開的目的。

3 問題

現(xiàn)場調試中發(fā)現(xiàn)閥門開閥時間不能滿足設計要求（＜140 ms）。利用AOV閥門診斷裝置對閥門的行程開關設定在行程的95%和5%，對閥門進行測試，時間均未達到要求。分析廠商提供的閥門圖紙中的快開式特性曲線（圖4），將閥門的位置開關和閥門行程進行精確設定（圖5），當閥門開到88%時，閥門的流量已接近最大，與行程開關設定在95%時的流量基本一致，因此將閥門的位置開關設定在行程的88%和5%，數(shù)次時間測試均未達到設計要求。

圖4 閥門流量曲線

圖5 行程和位置開關的設定

4 原因分析及改進方法

4.1 毒物注入閥氣動頭排氣速度過慢

（1）原因分析?？紤]到機組的安全運行，毒物注入閥被設計成失效安全的“失氣開”，即通過氣動頭快速排氣打開毒物注入閥，因此，排氣速度直接影響毒物注入閥的開啟時間。排氣時雖然設計有5個快速排氣閥，但它們的連接方式是串聯(lián)，各個快速排氣閥排氣量的分配存在很大差異，未能各盡所能。毒物注入閥氣動頭最初的排氣設計是電磁閥安裝在閥門的側面，與最近的快速排氣閥連接管線也有近1 m的距離，由于電磁閥與5個快速排氣閥的距離不同，快速排氣閥入口的壓空排空時間不一致，導致5個快速排氣閥動作時間不一致，進一步增加了閥門的開閥時間。在圖6中的B點和A點處各接入1個壓力傳感器，分別測量2點的壓力下降速度，測試結果顯示A點的壓力降低速度略滯后于B點。因此認為閥門開啟緩慢是由于排氣口單一，5個排放口進氣管線中的余氣不能很快從電磁閥同時排出造成。

（2）改進方法。為減少電磁閥的放氣時間和使5個快速排氣閥同步動作。改進閥門進/放管布局（圖7）。在氣動頭上方安裝了1個爪形的氣路分配器，從分配器均勻引出5個排氣支管，使5個快速排氣閥連接方式變成并聯(lián)安裝。把電磁閥放到閥門的正上方，使電磁閥離5個排放口的距離均在40 mm左右，與電磁閥和各排氣口相連的管線長度相同，保證閥門開啟時，進/排氣管線中的氣體從電磁閥排氣口排出速度基本一致，進一步減少氣體在排氣管線內滯留的時間，即減少了閥門的開啟時間。5個快速排氣閥同步動做，將閥門氣缸里的氣體迅速排空，開閥時間在150 ms左右，雖未達到設計要求，但大幅縮短了開閥時間。

故障排查時還發(fā)現(xiàn)原來的排氣管用割管器切割后，沒有很好的去“毛刺”。一般情況下，小毛刺對氣體的阻力可以忽略，但以毫秒級計算閥門開啟時間時，阻力的影響不應忽略不計。根據(jù)流體動力學可知，流體經過一個障礙物后會形成旋渦，速度很快時，氣旋對流速的影響相應增大。因此，在安裝新排氣管線時，特別注意去毛刺清理的工作，盡可能的減少開閥時間。

圖6 改造前閥門氣缸

圖7 改造后閥門氣缸

圖8 彈性斜率計算方法圖

4.2 氣動頭內彈簧的彈性斜率偏小

（1）原因分析。重新布置氣源管線后，根據(jù)圖8測量氣動頭內彈簧的彈性斜率，彈簧彈性斜率SR=Slope×Aeff。其中Slope為最小二乘擬和曲線斜率，Aeff為氣動頭有效面積。計算結果顯示彈簧的彈性沒有達到規(guī)定值±20%的范圍，彈性低會影響閥門的動作速度，彈性大會造成氣動頭的有效面積發(fā)生變化、彈簧過壓而損害閥門。

（2）改進方法。閥門氣缸彈簧加3.5 mm厚的墊片，增加彈簧的彈力，使彈簧復位時彈性勢能增大，在摩擦力不變的情況下，閥門動作更加迅速，減少了閥門的開啟時間。改進完成后，對閥門進行多次測試，測試結果顯示，原來的彈簧的彈性系數(shù)偏小，彈簧形變量產生的彈性勢能偏小，導致閥門開啟速度慢，對同一個閥門而言，表現(xiàn)為閥門開啟時間偏長。

根據(jù)牛頓第二運動定律、彈簧彈力公式以及速度公式，推導得出閥門從全關到全開所需時間的簡化算式其中，k是彈性系數(shù)，x是彈簧伸長或縮短的長度。

圖9為不同彈簧的行程變化曲線，從中可以看到彈簧伸長或縮短長度x形變量的絕對值越大，產生的彈力就越大，相應的閥門開閥的時間就越短。其次是提高彈簧彈性系數(shù)k，可使閥門開閥的時間減小。因此，閥門更改不僅需要更改進/排氣管線的布局，也需要更換彈性系數(shù)更大的彈簧。最終用彈性系數(shù)大的彈簧替換了原來的彈簧，后經驗證，這一改進加快了毒物注入閥的開啟速度。

圖9 不同彈簧的行程變化曲線

4.3 毒物注入閥填料函力矩過大

（1）原因分析。在閥門診斷中發(fā)現(xiàn)，毒物注入閥出廠時的填料函力矩比維修手冊的規(guī)定值高出數(shù)倍，這意味著閥門動作時要克服更大的摩擦力，這也會使得閥門動作相應變慢。從圖10分析氣動閥動作時的受力過程和圖11公式測量閥門摩擦力，將整個閥門簡化為一剛體，假設閥門勻速運動，各力平衡，設+F表示向下壓力，-F表示向上拉力，則閥門在密封位置時，∑F=0。即 Facttop-Fspring±Ffpkg-Ffseal±Ffguide-F不平衡力=0。式中 Facttop是氣缸輸出力，F(xiàn)spring是氣缸彈簧彈性阻力，F(xiàn)f-pkg+Ffguide是閥門運動過程中受到的各種摩擦力，摩擦力主要包括填料摩擦力、閥桿與氣動頭軸套的摩擦力，閥芯和閥座的摩擦力等。在氣動閥正常工作時，大部分為填料摩擦力，F(xiàn)fguide是閥門關閉時閥芯對閥座所加的密封力，F(xiàn)不平衡力是閥門上下油壓不同產生的不平衡力。

圖10 閥門受力

圖11 摩擦力計算方法

（2）改進方法。運用閥桿受力平衡公式，測量摩擦力應滿足制造商規(guī)定摩擦力水平的 ±25%，摩擦力太高將導致閥門內漏，還會影響閥門響應時間、靈敏度、分辨率和閥門實際行程大小，摩擦力太低意味著閥門存在填料泄漏的危險。根據(jù)圖11，閥門處于位置D的摩擦力Ffi=Pdelta×Aeff/2。式中Pdelta是閥門處于位置D時開關行程氣動頭壓力差，Aeff是氣動頭有效面積。經多次確認后，將填料函力矩調整為正常值。

4.4 閥桿應力的測量

在增加了氣缸內彈簧彈性系數(shù)后，通過測量閥桿的應力來分析閥門是否完全關閉。通過AOV診斷設備對毒物注入閥閥桿應力進行檢測，如圖12所示，當閥門處在完全關閉位置時，閥桿會受到氣缸內彈簧形變時施加的應力（A點）而發(fā)生橫向形變。當閥門開啟時，氣缸內彈簧復位，施加在閥桿上的應力消失（B點），閥桿恢復形變。這一轉換過程通過直行程閥桿應力傳感器記錄為圖12中A點到B點的轉換過程。如果閥門沒有完全關閉，即使閥桿受到氣缸內彈簧在形變時施加的應力也不會產生橫向形變，也就得不到圖12中的曲線。這時判斷閥門是否完全關閉的主要依據(jù)。由測試數(shù)據(jù)和曲線可知，閥門開關過程中閥桿運動平穩(wěn)，未出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。閥門關閉時閥瓣落座，密封力滿足V級密封要求。

圖12 閥桿應力曲線

5 改進實施效果

綜合以上試驗和診斷結果，對閥門做如下改進（最終設計）：①改變閥門的氣源管線布局。②將彈簧換成彈性更大的。③減小閥門的填料函力矩。④處理干凈氣源管線中的毛刺。閥門改進后，用電站DCC系統(tǒng)中的CI報警（可測量閥門開啟信號觸發(fā)到全開的時間）對閥門進行測試，所有閥門開啟時間＜140 ms，滿足系統(tǒng)設計要求，保證了反應堆的安全可靠運行。