核級電磁閥線圈壽命評估方法

汪亮 云浩 高軒 黃遠(yuǎn) 張益舟

摘 要

針對核級電磁閥線圈，分析主要部件構(gòu)成及老化機(jī)理，梳理能夠表征電磁閥線圈可靠性的老化敏感參數(shù)，包括外觀狀況、直流電阻、線圈匝間絕緣電阻、絕緣硬度、氧化誘導(dǎo)時間等。針對梳理出的老化敏感參數(shù)，給出對應(yīng)的性能檢測及壽命評估方法，并用試驗(yàn)實(shí)例說明上述方法的可靠性。最后，給出核電廠電磁閥線圈的老化管理行動建議。

關(guān)鍵詞

核級電磁閥線圈;老化機(jī)理;敏感參數(shù);性能檢測;壽命評估

中圖分類號： V433.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 62

0 引言

電磁閥線圈作為典型的儀控元件，廣泛地用于核電控制系統(tǒng)中，部分核級電磁閥線圈對核電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，如主蒸汽系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)、換料系統(tǒng)的電磁閥線圈。電磁閥線圈隨著服役時間的增加將出現(xiàn)老化降質(zhì)，若發(fā)生非預(yù)期失效將影響核電廠的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)、停堆，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要監(jiān)測核級電磁閥線圈的老化狀態(tài)，在其失效前及時采取糾正性行動措施，避免造成停機(jī)、停堆或重大經(jīng)濟(jì)損失事件。

目前針對電磁閥線圈的檢查措施少有報(bào)道，主要管理措施為外觀檢查或失效后更換，屬于被動老化行動管理，不能積極預(yù)防電磁閥線圈的失效。

鑒于此，文章總結(jié)了電磁閥線圈的主要老化機(jī)理，提出了一系列性能測試方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證各種性能測試方法的效果，獲取電磁閥線圈的敏感性能指標(biāo)，為核級電磁閥線圈的老化狀態(tài)監(jiān)測提供參考。

1 電磁閥線圈的老化機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

電磁閥線圈主要由漆包線、塑封外殼、絕緣導(dǎo)線等部件構(gòu)成。漆包線纏繞在塑封外殼內(nèi)，末端連接絕緣導(dǎo)線，絕緣導(dǎo)線連接外部控制電源。電磁閥線圈整體安裝在電磁閥基座上，通過電磁力控制閥體的移動從而控制氣體或液體的流動。

1.2 老化機(jī)理

根據(jù)電磁閥線圈的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及工作環(huán)境，導(dǎo)致電磁閥線圈老化的主要因素依次如下。

1.2.1 環(huán)境高溫

環(huán)境高溫包含周圍環(huán)境高溫加上電磁閥線圈的歐姆熱自溫升，在環(huán)境高溫下，漆包線絕緣、塑封外殼、連接導(dǎo)線等絕緣物質(zhì)容易發(fā)生老化降級，甚至開裂。

1.2.2 長時間勵磁

長時間勵磁可能導(dǎo)致線圈漆包線薄弱點(diǎn)產(chǎn)生局部剩余電流，進(jìn)一步使薄弱點(diǎn)溫度升高，直至線圈斷開。

1.2.3 浪涌電流沖擊

電磁閥的啟停存在浪涌電流沖擊，尤其是頻繁啟動電磁閥，浪涌沖擊將導(dǎo)致線圈漆包線薄弱點(diǎn)降級，甚至發(fā)生電擊穿。

1.2.4 振動疲勞

電磁閥線圈運(yùn)行過程中由于流體的流動發(fā)生振動，會導(dǎo)致電磁閥線圈承受振動疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致塑封外殼、絕緣導(dǎo)線端部降級，甚至開裂。

2 敏感參數(shù)及測量方法

根據(jù)電磁閥線圈的構(gòu)成及工作原理，可設(shè)置以下敏感性能參數(shù)。

2.1 外觀狀況

外觀狀況是指電磁閥線圈各部件的外觀結(jié)構(gòu)，部件老化后將會出現(xiàn)微小裂紋、材料損失、或者氧化等現(xiàn)象。外觀狀況通過高倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行拍照記錄。

2.2 直流電阻

直流電阻指線圈漆包線的直流電阻，漆包線隨著老化的進(jìn)行，直流電阻將會呈現(xiàn)趨勢性變化。直流電阻通過高精度數(shù)字電表測量絕緣導(dǎo)線的兩端得到[1]，所有測量結(jié)果需在相同實(shí)驗(yàn)室溫度進(jìn)行或者換算至基準(zhǔn)溫度。

2.3 線圈溫升

線圈溫升指電磁閥線圈通電后的歐姆熱自溫升，線圈老化至壽命末期，線圈溫升將升高。線圈溫升通過高準(zhǔn)確紅外熱成像儀或點(diǎn)溫儀測量[2]。

2.4 阻抗譜

阻抗譜指線圈漆包線的交流阻抗譜，漆包線隨著老化的進(jìn)行，阻抗譜在敏感頻率下將呈現(xiàn)趨勢變化。阻抗譜通過阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量得到。

2.5 絕緣硬度

絕緣硬度指絕緣表面的抗擠壓性能，隨著絕緣材料的老化降級，其表面硬度會呈現(xiàn)趨勢變化。絕緣硬度可通過硬度計(jì)或者壓縮模量儀測試得到[3]。

2.6 氧化誘導(dǎo)時間

氧化誘導(dǎo)時間指高分子物質(zhì)在高溫氧氣環(huán)境下開始發(fā)生自動催化氧化反應(yīng)的時間，隨著老化的進(jìn)行，氧化誘導(dǎo)時間將呈現(xiàn)趨勢性變化。氧化誘導(dǎo)時間可通過DSC測試得到。

2.7 絕緣電阻

絕緣電阻指線圈漆包線與外部絕緣部件的電阻，線圈漆包線老化至壽命末期，絕緣將發(fā)生降級。絕緣電阻通過絕緣電阻儀測試得到[1]，測試時將線圈浸沒常溫水中（絕緣導(dǎo)線端部除外）進(jìn)行測試。

3 實(shí)例分析

以某核電廠核級電磁閥線圈為例，對本文所提的敏感參數(shù)評估方法進(jìn)行說明。在實(shí)驗(yàn)室對核級電磁閥線圈開展老化試驗(yàn)，試驗(yàn)分兩組，1組采用115Vac供電老化（樣本1），一組采用105Vac供電老化（樣本2），兩組均老化12個周期，每個周期設(shè)置為通電10h，斷電1h。對核級電磁閥線圈各敏感指標(biāo)的測試結(jié)果及分析如下所示。

3.1 外觀狀況

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，115Vac樣本老化程度明顯高于105Vac樣本，整個過程呈現(xiàn)逐漸老化，無法獲取外觀狀況性能趨勢指標(biāo)。但可根據(jù)裂紋大小、材料損失程度、氧化程度作為判廢指標(biāo)。

3.2 直流電阻

線圈漆包線直流電阻測試顯示，隨著老化程度加深，直流電阻呈現(xiàn)先降低后上升的現(xiàn)象，適合作為敏感性能指標(biāo)。由于老化時間未至壽命末期，因此兩種應(yīng)力下指標(biāo)相差不大。

3.3 線圈溫升

線圈溫升測試顯示，線圈老化未至壽命末期，老化進(jìn)程中溫差不明顯，線圈溫升不適合做趨勢分析指標(biāo)。

3.4 阻抗譜

阻抗譜分析表明，隨著老化的進(jìn)行，存在多個敏感頻率點(diǎn)，阻抗幅值能區(qū)分老化的嚴(yán)重程度，適合作為敏感性能指標(biāo)。

3.5 絕緣硬度

塑封外殼硬度測試表明，硬度測量值隨老化進(jìn)程呈現(xiàn)趨勢性變化，適合作為敏感性能指標(biāo)。

3.6 氧化誘導(dǎo)時間

塑封外殼氧化誘導(dǎo)時間測試表明，隨著老化的進(jìn)行，氧化誘導(dǎo)時間總體上呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，適合作為敏感性能指標(biāo)。

3.7 絕緣電阻

線圈漆包線絕緣電阻測試表明，線圈老化未至壽命末期，絕緣電阻測試值趨勢不明顯，不適合作為敏感性能指標(biāo)，但可作為判廢指標(biāo)。

4 壽命評估方法

根據(jù)第3章的實(shí)例分析，線圈直流電阻、阻抗譜幅值、絕緣硬度、氧化誘導(dǎo)時間可作為電磁閥線圈壽命分析的敏感性能指標(biāo)，外觀檢查、線圈溫升、絕緣電阻可用于定性判廢，不適合作為壽命評估參數(shù)。

電磁閥線圈在出廠時給了推薦的更換壽命，該壽命為在規(guī)定運(yùn)行環(huán)境下能可靠運(yùn)行的保守時間，稱為截止壽命;但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況，電磁閥線圈的實(shí)際壽命，也稱終止壽命大于截止壽命。

4.1 截止壽命評估方法

截止壽命評估適用于已有固定更換壽命的電磁閥線圈，該壽命通過查詢廠家出廠試驗(yàn)報(bào)告或經(jīng)過一段時間的加速老化試驗(yàn)獲取。通過出廠試驗(yàn)報(bào)告或者老化試驗(yàn)后獲取截止壽命的敏感性能參數(shù)值，將該參數(shù)作為截止壽命判據(jù)。通過加速老化試驗(yàn)獲取初始性能至截止參數(shù)的的壽命曲線，如第3章直流電阻等敏感性能參數(shù)擬合函數(shù)的反函數(shù);并尋找加速老化與正常老化的加速因子。

4.2 終止壽命評估方法

終止壽命分析適用于即將到達(dá)廠家推薦的截止壽命但性能狀態(tài)良好的電磁閥線圈，終止壽命由國家標(biāo)準(zhǔn)或國外研究機(jī)構(gòu)給出終止壽命判據(jù)，可通過加速老化試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定的終止壽命判據(jù)，獲取壽命曲線及加速老化因子。

獲取敏感指標(biāo)壽命曲線及對應(yīng)的加速老化因子后，測試現(xiàn)場電磁閥線圈的敏感性能參數(shù)，將性能參數(shù)測量值與壽命曲線進(jìn)行對比，識別電磁閥線圈的性能狀態(tài)及剩余壽命。

5 結(jié)論與建議

通過本文表明，在核電廠運(yùn)行過程中，可通過測量直流電阻、阻抗譜、氧化誘導(dǎo)時間等敏感性能指標(biāo)有效跟蹤核級電磁閥線圈的老化狀態(tài)，在失效前采取糾正性行動措施，減小非預(yù)期停機(jī)、停堆的概率，以及重大的經(jīng)濟(jì)損失。

為保障核級電磁閥線圈的安全可靠運(yùn)行，提供如下行動建議：

（1）篩選核電廠的電磁閥線圈，將核安全相關(guān)電磁閥線圈作為重要管理對象，進(jìn)行主動老化管理。

（2）加速老化試驗(yàn)獲取核級電磁閥線圈的壽命曲線，并通過本文所述敏感性能指標(biāo)監(jiān)測電磁閥線圈的性能狀態(tài)。

（3）必要時改善核級電磁閥線圈的運(yùn)行環(huán)境，如合理范圍內(nèi)降壓運(yùn)行、調(diào)節(jié)工作模式，以及工作環(huán)境通風(fēng)降溫等。

參考文獻(xiàn)

[1]GJB 360B-2009電子及電氣元件試驗(yàn)方法.

[2]GB/T 38238-2019無損檢測儀器紅外線熱成像系統(tǒng)與設(shè)備性能描述.

[3]GB/T 3398.2-2008塑料硬度測定.