電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試技術(shù)在核電廠中的應(yīng)用

劉 洋，舒芝鋒，黃 萍，楊津瑞

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北武漢 430070）

0 引言

核電廠用電動(dòng)隔離閥分布在電廠的各大系統(tǒng)中，如PWR（Pressurized Water Reactor，壓水堆）的RCP（Reactor Coolant System，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)）和RCV（Chemical and Volume Control System，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)）等，一般起隔離邊界作用，與系統(tǒng)安全息息相關(guān)。為確保核電廠安全運(yùn)行，電動(dòng)隔離閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉必須準(zhǔn)確到位，來(lái)保證系統(tǒng)通斷，防止放射性外泄。如果開(kāi)關(guān)失效，核電廠可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的核安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)新電廠而言，雖然役前調(diào)試沒(méi)有放射性，但其時(shí)間緊、任務(wù)重，如果電動(dòng)隔離閥出現(xiàn)故障，將直接影響后續(xù)水壓實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，導(dǎo)致整個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)推遲；另外，電動(dòng)隔離閥的驗(yàn)收和調(diào)試工作缺乏完整的數(shù)據(jù)支撐，一些故障和隱患不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)今后的運(yùn)行和維護(hù)造成巨大隱患。為解決目前核電廠役前調(diào)試中電動(dòng)隔離閥存在的諸多問(wèn)題，應(yīng)用先進(jìn)的電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試技術(shù)是較可行的方案。

1 電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試技術(shù)介紹

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試技術(shù)是一項(xiàng)“從實(shí)踐中來(lái)，到實(shí)踐中去”的實(shí)用技術(shù)，它主要包括4個(gè)方面內(nèi)容。

（1）在線測(cè)試。以閥門(mén)不拆卸、不解體為前提，借助傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等軟硬件技術(shù)，在系統(tǒng)回路上開(kāi)關(guān)閥門(mén)過(guò)程中測(cè)量實(shí)時(shí)的機(jī)械、電氣特性參數(shù)及趨勢(shì)曲線，如閥桿推力、填料摩擦力、電機(jī)電流/電壓、閥門(mén)控制（限位、力矩）開(kāi)關(guān)與行程指示開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯等。

（2）診斷分析。根據(jù)測(cè)量的特性參數(shù)及趨勢(shì)曲線來(lái)判斷電動(dòng)隔離閥的密封性能和動(dòng)作性能，如閥瓣與閥座密封力不夠時(shí)就會(huì)發(fā)生內(nèi)漏、填料摩擦力不夠則會(huì)發(fā)生外漏、控制開(kāi)關(guān)失效會(huì)引起閥門(mén)操作風(fēng)險(xiǎn)甚至損壞控制柜或電機(jī)、行程指示開(kāi)關(guān)故障會(huì)引起閥門(mén)誤操作等，并識(shí)別真正需要維修的閥門(mén)。

（3）閥門(mén)調(diào)整。在閥門(mén)機(jī)械和電氣部件正常工作的情況下，調(diào)整閥門(mén)實(shí)際行程、密封力、填料摩擦力、控制/指示開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯等。

（4）維修建議。根據(jù)診斷分析結(jié)果對(duì)真正需要維修的閥門(mén)提出維修方案，包括更換閥門(mén)部件、解體檢修等。

1.2 診斷測(cè)試內(nèi)容

對(duì)電動(dòng)隔離閥而言，密封性能和動(dòng)作性能是核電廠關(guān)注的重點(diǎn)，如表1所示。在診斷測(cè)試中必須對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的閥門(mén)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或提出維修建議，并在調(diào)整或維修后重新對(duì)其進(jìn)行診斷測(cè)試，直至其性能參數(shù)合格。

表1 診斷測(cè)試內(nèi)容

2 閥門(mén)診斷技術(shù)在核電廠役前調(diào)試中的應(yīng)用情況

2.1 項(xiàng)目概況

以某核電廠2臺(tái)機(jī)組役前調(diào)試期間的30多臺(tái)、50多臺(tái)關(guān)鍵電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試項(xiàng)目為例。項(xiàng)目所涉電動(dòng)隔離閥主要分布在RIS（Safety Injection System，安全注入系統(tǒng)），EAS（Containment Spray System，安全殼噴淋系統(tǒng)），RCP，RCV等水壓實(shí)驗(yàn)相關(guān)系統(tǒng)。為保證后續(xù)水壓試驗(yàn)順利通過(guò)，考慮到閥門(mén)僅僅初步安裝和調(diào)試，并未實(shí)際使用，于是在整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中除重點(diǎn)解決表1所述問(wèn)題外，還特別關(guān)注閥門(mén)控制回路接線、電機(jī)供電相序、電機(jī)選型、手輪嚙合等方面存在的問(wèn)題。

2.2 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為方便直觀地考察2臺(tái)機(jī)組電動(dòng)隔離閥的測(cè)試情況，將測(cè)試結(jié)果概括為6類(lèi)。

（1）電控回路接線錯(cuò)誤，包括力矩開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、bypass、指示燈及相關(guān)觸點(diǎn)之間的連接線錯(cuò)誤、控制邏輯設(shè)置錯(cuò)誤等。

（2）電機(jī)供電或選型不當(dāng)。

（3）閥門(mén)性能調(diào)整性問(wèn)題，包括行程、密封力、填料摩擦力、指示燈、bypass開(kāi)關(guān)等對(duì)應(yīng)部件的設(shè)置和調(diào)整。

（4）一般性維修，包括除塵、閥桿部件除銹及潤(rùn)滑、連接部位機(jī)械松動(dòng)等。

（5）建議解體維修，包括解體電動(dòng)頭（控制及顯示開(kāi)關(guān)機(jī)械故障、手輪結(jié)構(gòu)損壞、渦輪蝸桿裝配故障等）、解體閥體（結(jié)合打壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定是否解體，包括閥瓣密封面與閥座密封面受損或彼此貼合不嚴(yán)、閥桿劃傷等）、解體遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)（機(jī)械摩擦力偏大、間隙過(guò)大等）。

（6）各項(xiàng)性能參數(shù)合格。

圖1 某核電廠2臺(tái)機(jī)組電動(dòng)閥測(cè)試結(jié)果

電動(dòng)閥測(cè)試結(jié)果如圖1所示，在2臺(tái)機(jī)組中存在第一～第五類(lèi)故障的閥門(mén)分別有27臺(tái)、48臺(tái)，占被測(cè)閥門(mén)總數(shù)的87.1%和81.4%，其中有些閥門(mén)同時(shí)存在多類(lèi)故障；第三類(lèi)故障即閥門(mén)性能調(diào)整性問(wèn)題都最為普遍，表明初步安裝調(diào)試時(shí)對(duì)閥門(mén)關(guān)鍵參數(shù)（安全控制、密封性能參數(shù)）設(shè)置缺乏依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)；第2臺(tái)機(jī)組甚至在電控回路接線、電機(jī)供電相序等基本調(diào)試要求方面出現(xiàn)較多錯(cuò)誤，第1臺(tái)機(jī)組相對(duì)較好。

2.3 典型故障舉例分析

2.3.1 APA201VL內(nèi)漏

APA201VL是楔形閘板閥，為DN500 mm閥體，配國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用開(kāi)限位開(kāi)閥、關(guān)力矩關(guān)閥的控制方式。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線如圖2所示，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)落座電流無(wú)明顯峰值，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)拔出力明顯偏小，同時(shí)無(wú)對(duì)應(yīng)的電流尖峰，實(shí)際行程較相同閥門(mén)小30 mm，據(jù)此判定雖然閥門(mén)關(guān)閉時(shí)最終密封力合格，但閥瓣未能正常楔入閥座，閥門(mén)存在內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)。在隨后的打壓試驗(yàn)中，閥門(mén)出現(xiàn)內(nèi)漏，診斷測(cè)試結(jié)論得到驗(yàn)證，需要對(duì)閥體進(jìn)行解體檢修。

圖2 APA201VL閥門(mén)診斷測(cè)試曲線

對(duì)APA201VL進(jìn)行解體檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于閥體上的閥瓣導(dǎo)向板底端有一凸臺(tái)，導(dǎo)向板出現(xiàn)明顯刮痕（圖3），結(jié)合凸臺(tái)與閥瓣相互作用的痕跡，可判定該閥瓣未能正確楔入閥座底部，導(dǎo)致閥門(mén)內(nèi)漏，凸臺(tái)和刮痕還表明其加工非常粗糙。維修時(shí)，對(duì)導(dǎo)向板進(jìn)行切削和打磨，消除了缺陷，回裝閥門(mén)各部件后，閥門(mén)工作正常，且打壓實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)內(nèi)漏。

2.3.2 RIS012VP卡澀

RIS012VP為1臺(tái)裝有遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)的穿墻閥門(mén)，是國(guó)內(nèi)某閥門(mén)廠生產(chǎn)的楔形單閘板閘閥，配國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖3 APA201VL閥瓣導(dǎo)向板

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，RIS012VP運(yùn)行不平穩(wěn)，電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)最為明顯，中間軸傳動(dòng)出現(xiàn)卡澀，開(kāi)關(guān)行程中平均摩擦力達(dá)12 000 N，遠(yuǎn)高于（5337～6672）N的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)力矩開(kāi)關(guān)在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)連續(xù)動(dòng)作并回彈3次，如圖4所示，而且未切斷電機(jī)電源，這給閥門(mén)控制帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)卡滯現(xiàn)象進(jìn)行分析，判斷電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接座之間存在過(guò)度磨擦情況，需進(jìn)行改造。

圖4 RIS012VP閥門(mén)診斷測(cè)試曲線

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)進(jìn)一步討論，確認(rèn)該類(lèi)電動(dòng)遠(yuǎn)傳閥門(mén)過(guò)渡段與遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)連接沒(méi)有考慮中間軸連接部分存在間隙，中間軸存在上下左右運(yùn)動(dòng)與外套摩擦損傷的問(wèn)題，直接導(dǎo)致了機(jī)械摩擦力偏大。一致同意采用一個(gè)球軸承及一個(gè)圓錐滾子軸承來(lái)改造電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體連接組件，如圖5所示，利用圓錐滾子軸承承受了軸向力和徑向力，同時(shí)給中間軸進(jìn)行定位，徹底解決過(guò)渡段中間軸上下及左右運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，而且裝配和檢修都較簡(jiǎn)單。

加裝軸承后，閥門(mén)運(yùn)行非常平穩(wěn)，閥門(mén)開(kāi)關(guān)行程平均摩擦力明顯減小，只有5500 N 左右，表明中間軸的機(jī)械摩擦基本消除，測(cè)試值主要是填料摩擦力。同時(shí)開(kāi)力矩開(kāi)關(guān)動(dòng)作及回彈現(xiàn)象消失，避免了控制風(fēng)險(xiǎn)。改造后的測(cè)試曲線如圖6所示。

圖5 連接組件改造示意

圖6 RIS012VP閥門(mén)加裝軸承后測(cè)試曲線

2.4 項(xiàng)目成效

2臺(tái)機(jī)組役前電動(dòng)閥診斷測(cè)試項(xiàng)目過(guò)程中，對(duì)不同的電動(dòng)閘閥和電動(dòng)截止閥采取不同的診斷測(cè)試、調(diào)整、維修方法，使各種電動(dòng)隔離閥都能在正確的邏輯控制下可靠地運(yùn)行。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行驗(yàn)證，項(xiàng)目主要取得以下成效。

（1）2臺(tái)機(jī)組機(jī)水壓實(shí)驗(yàn)一次性通過(guò)，為機(jī)組投運(yùn)發(fā)電奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）建立了閥門(mén)初始性能和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，保存了各種測(cè)試數(shù)據(jù)，為后續(xù)測(cè)試和檢修提供有力依據(jù)。

（3）除診斷出閥門(mén)的各類(lèi)“顯性”故障外，也準(zhǔn)確地推斷了一些“隱性”故障，并在2臺(tái)機(jī)組商運(yùn)后得到驗(yàn)證。

2.5 項(xiàng)目特點(diǎn)及意義

2.5.1 系統(tǒng)化的在線測(cè)試

該項(xiàng)目對(duì)電動(dòng)隔離閥進(jìn)行了系統(tǒng)化的在線測(cè)試，在電動(dòng)隔離閥開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)閥桿軸向推力、電機(jī)電流、閥門(mén)控制（限位、力矩）開(kāi)關(guān)設(shè)置點(diǎn)等關(guān)鍵參數(shù)，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩、閥門(mén)行程（取決于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件）、盤(pán)根摩擦力、電機(jī)功率等重要參數(shù)。所測(cè)參數(shù)可全面反映電動(dòng)隔離閥控制邏輯、密封性能和動(dòng)作性能，較傳統(tǒng)的單項(xiàng)參數(shù)測(cè)試有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在2個(gè)方面。

（1）參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)試，既可以定點(diǎn)或定值分析，又可以進(jìn)行閥門(mén)全行程曲線分析。

（2）各項(xiàng)參數(shù)同步測(cè)試，閥門(mén)全行程參數(shù)可進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

2.5.2 統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

核電廠用電動(dòng)隔離閥涉及國(guó)內(nèi)外多家閥門(mén)廠，除本身設(shè)計(jì)和加工水平有差異外，各閥門(mén)廠還可能遵照不同的制造驗(yàn)收規(guī)范，如俄羅斯OTT-87、法國(guó)RCC-M、美國(guó)ASME、中國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20010.9-2010和核島閥門(mén)通用技術(shù)條件0401T331等，這就使得不同閥門(mén)廠的同規(guī)格電動(dòng)閥的出廠設(shè)置參數(shù)（如密封力）也不盡相同，對(duì)實(shí)際運(yùn)行造成諸多隱患。對(duì)此，在診斷測(cè)試項(xiàng)目中依據(jù)美國(guó)電力研究院EPRI的閥門(mén)參數(shù)計(jì)算導(dǎo)則，在充分考慮閥門(mén)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及不確定性的前提下，對(duì)不同類(lèi)型電動(dòng)隔離閥參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，保證其在正常工況及緊急情況下可靠地運(yùn)行。

2.5.3 先進(jìn)的閥門(mén)狀態(tài)管理

IAEA相關(guān)文件[1]已明確表示，核電廠設(shè)備維修策略由基于時(shí)間的預(yù)防性維修轉(zhuǎn)向基于狀態(tài)維修（Condition-based Maintenance，CBM）的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。在建的三代核電AP1000機(jī)組對(duì)電動(dòng)閥進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)大綱管理，閥門(mén)從出廠就開(kāi)始嚴(yán)格實(shí)施狀態(tài)管理。

電動(dòng)隔離閥診斷技術(shù)的應(yīng)用有效地降低了檢修過(guò)程中由人因?qū)е碌脑O(shè)備降質(zhì)，避免了閥門(mén)誤修、漏修、過(guò)修，降低了維修成本，真正體現(xiàn)了CBM優(yōu)勢(shì)。同時(shí)役前調(diào)試期間建立了電動(dòng)隔離閥初始狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和維修記錄，加上已有的閥門(mén)原始設(shè)計(jì)資料和后續(xù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，為新電廠推行閥門(mén)狀態(tài)管理做了良好的開(kāi)局，與先進(jìn)的三代核電AP1000機(jī)組保持基本一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科綜合的實(shí)用技術(shù)，應(yīng)用于核電廠役前調(diào)試可以準(zhǔn)確地診斷出電動(dòng)隔離閥的各類(lèi)“顯性”和“隱性”故障，建立電動(dòng)隔離閥的初始性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。一方面驗(yàn)證其運(yùn)行性能參數(shù)符合原始實(shí)際、滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求；另一方面是為今后定期監(jiān)測(cè)閥門(mén)性能狀態(tài)變化提供參考依據(jù)，以便更有效地指導(dǎo)和管理閥門(mén)的各項(xiàng)維修活動(dòng)，優(yōu)化電廠閥門(mén)維修策略，使閥門(mén)檢修工作真正成為CBM維修，同時(shí)這也符合美國(guó)核管會(huì)NRC要求運(yùn)營(yíng)核電廠必須執(zhí)行電動(dòng)閥定期測(cè)試的規(guī)定。實(shí)踐證明，電動(dòng)隔離閥診斷測(cè)試技術(shù)在核電廠役前調(diào)試中應(yīng)用效果明顯，為核電廠的安全調(diào)試及后續(xù)運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，值得全面推廣。

［1］ IAEA，Implementation Strategies and Tools for Condition Based Maintenance at Nuclear Power Plants.IAEA-TECDOC-1551，May，2007.