安全級電動閥帶載診斷試驗分析

許龍龍

摘 要

安全級電動閥是一回路壓力邊界和安全殼隔離系統(tǒng)的重要組成部分，其能否在設(shè)計基準工況下可靠運行關(guān)系到核電廠的安全與否。本文結(jié)合安全級電動閥的技術(shù)特點，分析了電動閥傳統(tǒng)試驗的缺點和空載診斷試驗的局限性，針對這些不足和局限提出了帶載診斷試驗方法，并結(jié)合現(xiàn)場實際分析了帶載診斷試驗的優(yōu)勢和所解決的具體問題。

關(guān)鍵詞

安全級電動閥;帶載診斷試驗;在役試驗;閥門系數(shù)

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 73

0 前言

壓水堆核電站防止放射性物質(zhì)外泄有三道安全屏障：燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼，安全級電動閥是一回路壓力邊界和安全殼隔離系統(tǒng)的重要組成部分，其能否在基準工況下可靠運行關(guān)系到核電廠的安全與否。安全級電動閥有運行環(huán)境嚴酷、失效前不易發(fā)現(xiàn)故障/降質(zhì)等技術(shù)特點。

自上世紀八十年代以來，已發(fā)生了多起因電動閥失效而造成的事故。這一系列事件促使美國開發(fā)閥門診斷技術(shù)，來提升電動閥的檢測手段，提高其可靠性。

1 電動閥設(shè)定和試驗方法分析

1.1 電動閥設(shè)定方法分析

1.1.1 傳統(tǒng)限位設(shè)定方法的不足

傳統(tǒng)的閥門限位設(shè)定方法，只能粗略的設(shè)置閥門的限位開關(guān)，而對不同規(guī)格型號的電動閥來說，閥門口徑、閥門行程、執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)速比、各個傳動部件間的間隙等參數(shù)選型不完全相同，這就很容易造成限位開關(guān)設(shè)置不當。

1.1.2 傳統(tǒng)力矩設(shè)定方法的不足

傳統(tǒng)的力矩開關(guān)設(shè)定方法，控制的是執(zhí)行機構(gòu)的輸出力矩，而閥門所需的是推力，同樣的力矩開關(guān)設(shè)定會由于潤滑狀況、設(shè)備將質(zhì)等原因?qū)е麻y桿推力產(chǎn)生很大變化。

1.2 傳統(tǒng)試驗方法分析

傳統(tǒng)的行程試驗，測量的只有閥門的行程時間，沒有任何其他的閥門性能，并沒有驗證限位開關(guān)和力矩開關(guān)的設(shè)置，甚至連閥門是否真的開啟/關(guān)閉，都不能保證。

1.3 問題分析

國內(nèi)大多數(shù)核電站主要用閥門診斷技術(shù)來查找出現(xiàn)過失效/故障的電動閥的故障原因，主要存在以下不足：

（1）沒有定量的驗收標準。

（2）只做試驗，并給出試驗結(jié)論和推薦性維修意見，試驗時不根據(jù)驗收標準進行設(shè)置調(diào)整和預(yù)防性維修。

（3）無法定量判斷閥桿潤滑和密封面摩擦系數(shù)的變化情況。

（4）沒有進行裕量管理和趨勢分析。

綜上所述，傳統(tǒng)的電動閥設(shè)定/試驗方法以及國內(nèi)其他核電站開展的診斷試驗均存在一定不足，無法定量的證明安全級電動閥能夠在設(shè)計基準工況下執(zhí)行其安全功能。需要采用新的診斷試驗方法和驗收準則。

2 安全級電動閥空載診斷試驗的局限性分析

2.1 無法確認閥門系數(shù)的保守性并根據(jù)實際情況進行調(diào)整

閥門系數(shù)的選取對最終的驗收標準影響很大，只有確保計算時選取的數(shù)值是保守的才能最終判定試驗結(jié)果滿足要求，但空載試驗無法做到這一點。

2.2 無法預(yù)測出閥門在設(shè)計基準工況下的行程時間

直流電機的輸出轉(zhuǎn)速受負荷的影響很大，導(dǎo)致安全級電動閥在空載時的行程時間比帶載時的行程時間短。需要實現(xiàn)不同工況下行程時間的互相轉(zhuǎn)換，才能有效評估在役試驗結(jié)果。而空載診斷試驗只能提供閥門的空載行程時間，也無法預(yù)測出閥門在設(shè)計基準工況下的行程時間。

2.3 無法發(fā)現(xiàn)帶載時會出現(xiàn)的特殊問題

由于閥門在帶載時，管道中有介質(zhì)壓力和流量，除了一般的受力變化外還會出現(xiàn)其他特殊問題。例如：導(dǎo)軌以及密封面的磨損，負荷加載速率對閥桿推力的影響等，這些特殊問題均會影響閥門的帶載性能。

3 帶載診斷試驗的應(yīng)用

3.1 驗證并調(diào)整閥門系數(shù)

VF—閥門系數(shù)屬于變量，設(shè)備的老化以及維護保養(yǎng)情況均會使其發(fā)生變化[1]。在設(shè)計階段，應(yīng)保守取值，以使設(shè)備在整個壽命周期內(nèi)均具有執(zhí)行其安全功能的能力。但倘若在調(diào)試及運行期間發(fā)現(xiàn)無法將力矩開關(guān)和限位開關(guān)設(shè)定到驗收標準范圍內(nèi)，則可以通過診斷試驗實際測量，確定目前實際的閥門系數(shù)和初始計算時所采用的保守值相差多少，是否可以在計算設(shè)定窗口時采用低一些的閥門系數(shù)，從而使設(shè)定窗口擴大。然后通過后續(xù)的定期診斷試驗來驗證此假設(shè)的保守性，并持續(xù)監(jiān)測閥門系數(shù)的變化情況，對其進行趨勢分析，及時調(diào)整診斷試驗的驗收標準。而閥門系數(shù)可以通過帶載診斷試驗得到：

以正常余熱排出系統(tǒng)的閥門RNS-PL-V011，RNS出口母管殼外隔離閥為例：此電動閥為8英寸楔式彈性閘閥，電動執(zhí)行機構(gòu)型號為Limitorque SB-1-60，設(shè)定值見表1。

從上述計算結(jié)果可知，目標窗口只有2541lbs（11302N），將此窗口轉(zhuǎn)化為力矩開關(guān)的刻度則為27/16到29/16，只有1/8的調(diào)整范圍，這么小的窗口在實際設(shè)定力矩開關(guān)時將幾乎不可能設(shè)定成功?？稍谙到y(tǒng)調(diào)試時對其進行帶載診斷試驗，測量實際的閥門系數(shù)，若實際測得的閥門系數(shù)降低到0.4，則設(shè)定窗口將會顯著擴大到9917lbs（44113N），力矩開關(guān)的調(diào)整范圍將變?yōu)?/2。

3.2 測量設(shè)計基準工況下的行程時間

若直接在設(shè)計基準工況下執(zhí)行帶載診斷試驗，則能直接得到閥門在設(shè)計基準工況下的行程時間，即使試驗工況沒有達到設(shè)計基準工況，只要壓差達到了設(shè)計基準工況的1/3以上，也能通過試驗結(jié)果預(yù)測出閥門在設(shè)計基準工況下的負荷，從而通過已有的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)空載行程時間與設(shè)計基準工況行程時間的轉(zhuǎn)換，進而有效評估在役試驗結(jié)果。

3.3 及時發(fā)現(xiàn)閥門帶載時會出現(xiàn)的特殊問題

在閥門帶載時，由于介質(zhì)壓力和流量的作用，會出現(xiàn)一些特殊問題。例如圖4所示，管道內(nèi)有流量時，若閥門制造精度不佳，則閘板會因為流體的作用而發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，從而使閘板密封面和閥門密封面間發(fā)生刮擦，閘板導(dǎo)軌和導(dǎo)槽間也會發(fā)生刮擦，造成閥門運行負荷增加甚至損壞密封面及導(dǎo)軌[1]。若進行了帶載診斷試驗，就能在診斷曲線中及時發(fā)現(xiàn)此問題，從而及時對閥門進行解體維修。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：帶載診斷試驗?zāi)軌驕y量實際的閥門系數(shù)，并根據(jù)實際的閥門系數(shù)調(diào)整診斷試驗的驗收標準，能夠建立空載行程時間和設(shè)計基準工況行程時間的轉(zhuǎn)換關(guān)系并及時發(fā)現(xiàn)閥門帶載時會出現(xiàn)的特殊問題，從而有效彌補空載診斷試驗的局限。

參考文獻

[1]JOG，“Joint Owners Group （JOG） Motor-Operated Valve Periodic Verification Program Summary，” ，Revision 0.

[2]EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center： Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants， Revision 2.