安全注入系統(tǒng)電動頭堵轉原因分析

任 滈

(中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124)

核電廠安全注入系統(tǒng)(RIS)的主要功能是在事故工況下為堆芯提供應急冷卻，在一回路失水事故下，直接向堆芯注入冷卻水淹沒堆芯，冷卻燃料組件，從而防止燃料包殼熔化，確保堆芯的幾何形狀和完整性。當中壓安注箱、安注罐的水耗盡時，水匯流到地坑被收集，直接注入冷卻水轉為再循環(huán)注入(從地坑吸水)冷卻水，此時低壓安注泵啟動從地坑吸水，安全殼地坑水出口閥RIS051/052 VP打開，將冷卻水送到高壓安注泵入口，以實現(xiàn)一回路冷卻水的持續(xù)注入和循環(huán)冷卻。在直接注入冷卻水階段，安全殼的地坑內無水，RIS051/052 VP先行關閉，保證直接注入階段的壓力，防止泵葉輪氣蝕損壞[1]。

RIS051/052 VP也是反應堆安全殼的貫穿件邊界，為保證邊界的密封性，閥門被罩在一個密封鋼筒內，閥門損壞需維修時，拆裝密封鋼筒的空間狹小，且現(xiàn)場不允許帶閥門進行電動頭堵轉操作，這也制約了故障原因的探尋。本文對多方收集的信息進行分析，故障原因最終得以明確。

1 故障描述

多個核電廠自投產(chǎn)運行以來，在檢修和定期試驗操作過程中，RIS051/052 VP在關閉時屢次出現(xiàn)電動頭關閉力矩開關不動作、電動頭堵轉、熱偶跳閘導致的電動閥不可用故障。

2013年5月12日，A電廠3號機組3RIS051 VP電動頭解體檢修后調試時，電動頭關閉到位后電機出現(xiàn)堵轉，上游開關熱偶動作。檢查故障電動頭力矩設置為580 N·m，更換同型號的新電動頭后，電動頭運轉正常；2015年1月5日，該電廠3號機組3RIS051 VP-1電動頭力矩設定值從608 N·m調高到700 N·m，電動頭關閉到位后再次出現(xiàn)電動頭堵轉，上游開關熱偶動作故障，將電動頭力矩設定值降到638 N·m后關閥正常。

2016年8月5日，B電廠1號機組1RIS051 VP電動頭關力矩設置值從593 N·m調整到標準力矩設定值662 N·m，電動頭關閉后出現(xiàn)電動頭堵轉，上游開關熱偶動作故障，更換新電動頭后關閥正常。電流波形對比如圖1所示。

2016年5月21日，C電廠4號機組4RIS052 VP電動頭關力矩設置值從580 N·m調整到標準力矩設定值662 N·m。8月17日，執(zhí)行定期試驗時電動頭關閉后出現(xiàn)電動頭堵轉，上游開關熱偶動作故障，更換新電動頭后關閥正常。

2019年7月8日，B電廠5號機組5RIS051 VP電動頭關力矩設置值從590 N·m調整到標準力矩設定值662 N·m，執(zhí)行定期試驗時電動頭關閉后出現(xiàn)電動頭堵轉，上游開關熱偶動作故障，更換電動頭新力矩機構組件后關閥正常。

圖1 B電廠電動頭堵轉電流波形與正常電動頭電流波形示意圖Fig.1 Actuator stall current and normal actuatorcurrent waveforms of power plant B

2 電動頭結構原理

上述核電廠所使用的堵轉電動頭型號均為BERNARD ST70/23/K3，額定電流為7.2 A，額定力矩700 N·m[2]?，F(xiàn)場電動頭為側裝，內部結構如圖2所示。電動頭開閥時，電機驅動齒輪箱內的蝸輪和蝸桿帶動傳動齒輪，驅動主軸，主軸與閥桿聯(lián)軸；電動頭驅動閥門關閉時，閥門關閉到位保證密封性所需的關閉力矩值達到設定力矩值，主軸受到閥桿的阻力作用，電機驅動傳動齒輪帶動力矩機構克服力矩彈簧壓縮力，使力矩機構內的微動開關動作，電機停電。通過調節(jié)力矩機構內的微動開關位置可改變力矩彈簧壓縮位移，從而改變電動頭力矩設置值。

圖2 ST70型電動頭結構圖Fig.2 Structure of ST70 actuator

3 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場故障現(xiàn)象，從電動頭力矩設置值、電動頭出力及力矩機構動作3個方面對故障原因進行分析。

3.1 力矩設置值

如果電動頭力矩設置值較大，將導致力矩開關無法動作而使電動頭堵轉，在檢修間對故障電動頭力矩設置值進行校驗，結果如表1所示。

由表1可知，A、B電廠故障電動頭校驗力矩設置值均滿足標準要求；C電廠故障電動頭校驗力矩設置值滿足標準要求，但10次會偶發(fā)2次堵轉的情況(詳見3.3分析)。

3.2 電動頭出力

電動頭出力不足將導致達不到力矩設置值而發(fā)生堵轉。下面從電機、電源回路、機械傳動等方面進行分析。

3.2.1 電機

實測3臺故障電動頭電機三相直流電阻都約為5.2 Ω且三相平衡，電機絕緣電阻均大于100 MΩ，運行電流均為4.1 A左右，小于額定電流(7.2 A)且三相平衡，與更換后同型號無堵轉電動頭對比，運行電流電壓等電機參數(shù)正常，未見明顯差異。

在檢修間對A電廠3RIS051 VP故障電動頭進行堵轉試驗，校驗力矩為 971 N·m時電機未堵轉；對B電廠1RIS051 VP故障電動頭進行堵轉試驗，校驗力矩為1 250 N·m時電動頭堵轉，堵轉電流為37.8 A，與現(xiàn)場錄波的堵轉電流相同。

表1 電廠故障電動頭力矩校驗數(shù)據(jù)

電動頭堵轉試驗表明，電機最大出力可達971～1 250 N·m，完全能滿足力矩設定值(700 N·m)的要求。

3.2.2 電源回路

電源開關檢查：測量3個上游電源開關的接觸器觸頭電阻均小于1 Ω且觸頭表面未見打弧痕跡。

電纜檢查：A電廠3RIS051 VP 電纜線芯截面積為2.5 mm2；B、C電廠電纜線芯截面積均為6 mm2，A廠電纜線芯截面積小于其他電廠，檢查數(shù)據(jù)見表2。

對A電廠電纜線芯截面積偏小是否會導致電動頭堵轉進行試驗：用三相調壓器降低電源電壓后，對A電廠3RIS051 VP-1電動頭力矩設置值(700 N·m)進行試驗，實測現(xiàn)場電氣盤柜正常供電為385 V；降低三相電壓至280 V以下時，電機出力下降，力矩機構凸輪不能觸碰到微動開關，電動頭出現(xiàn)堵轉，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 A電廠3RIS051 VP-1電動頭電壓降低力矩動作試驗數(shù)據(jù)

電源壓降公式為：

U電機側=U盤柜側-I堵轉×R電纜線阻

式中：U電機側為電機端電壓；U盤柜側為盤柜實測輸出電壓，385 V；I堵轉為現(xiàn)場實測堵轉電流，37 A；R電纜線阻為實測電纜兩相芯線電阻，2.02 Ω。由此可計算出U電機側=309 V，與現(xiàn)場堵轉時實測電機端電壓相符。

通過檢修間試驗和現(xiàn)場堵轉時實測數(shù)據(jù)可見，現(xiàn)場采用線芯截面積為2.5 mm2的電纜即使出現(xiàn)電動頭堵轉，使電壓降到了309 V，其電動頭供電電壓也遠大于電動頭的堵轉電壓(280 V)，電動頭現(xiàn)場供電壓降能保證電動頭出力及力矩開關可靠動作。

電動頭電機為短時工作制，根據(jù)電纜設計規(guī)范[3]標準，10 kV及以下電力電纜(線芯截面積為2.5 mm2)三芯線允許持續(xù)電流載流量為15 A，相對于7.2 A額定電流有充分的設計裕量。

查詢A電廠3RIS051 VP電氣設計系統(tǒng)手冊[4]得知，所選用電機電纜線芯截面積為2.5 mm2，長度為158.7 m，而長200 m的2.5 mm2電纜線芯壓降為11 V，壓降為2.9%Un(Un為額定電壓)，滿足民用建筑設計規(guī)范標準中“電動機頻繁啟動時，不低于額定電壓的90%，電動機不頻繁啟動時，不低于額定電壓的85%”(即不頻繁啟動電機壓降不大于15%Un)的要求[5]，故電纜長度對電動頭堵轉無影響，電纜線芯截面積設計選型滿足標準。

因為B、C電廠電纜線芯截面積為6 mm2，均大于A電廠的電纜線芯截面積，所以其堵轉電動頭電纜容量滿足設計標準。

3.2.3 機械傳動

電動頭內部機械傳動機構故障卡澀將導致力矩無法傳輸，電動頭堵轉。

在檢修期間校驗力矩，實測力矩輸出達到971～1 250 N·m，均超過力矩設置值要求，未出現(xiàn)傳動機構卡澀導致電動頭力矩輸出不足現(xiàn)象；解體故障電動頭，檢查其齒輪、離合器、電機軸承等傳動機構，均未發(fā)現(xiàn)磨損、變形、斷裂、卡澀等機械故障。這表明機械傳動機構正常。

3.3 力矩機構動作

3.3.1 對電動頭力矩機構檢查

上述試驗和檢查表明：電動頭堵轉時實際輸出力矩值已達到設置值要求，說明應執(zhí)行力矩動作的力矩機構存在異常。電動頭力矩機構是力矩加載到設置值后力矩凸輪壓住微動開關執(zhí)行力矩動作的機構，如果故障將導致電動頭堵轉。

在檢修間對B電廠1RIS051 VP電動頭進行關力矩操作試驗(671 N·m)，電動頭力矩開、關均可正常動作。模擬現(xiàn)場電動頭側裝方式進行力矩動作試驗，5次試驗中2次出現(xiàn)堵轉且堵轉力矩超過力矩設置值(671 N·m)。將力矩設置值調回初始的593 N·m后電動頭力矩開、關均可正常動作。

對C電廠4RIS052 VP電動頭在檢修間進行力矩動作試驗，力矩初始設置值為580 N·m，10次試驗出現(xiàn)2次堵轉且堵轉時力矩達到580 N·m。模擬現(xiàn)場電動頭側裝方式進行力矩動作試驗，電動頭力矩機構均正常動作。

圖3 力矩機構及其短彈簧動作示意圖Fig.3 The schematic of torque unitand its short spring action

力矩機構如圖3a所示，包括力矩彈簧、力矩凸輪、力矩桿和微動開關。電動頭關閥后主軸帶動離合器加載力矩時，離合器逆時針轉動，力矩桿水平向左移動，通過鎖緊背帽帶動關力矩凸輪，關力矩凸輪帶動力矩彈簧受力壓縮向左移動，并觸碰斷開微動開關，使電動頭達到力矩值斷電停運，調整微動開關位置可設定電動頭關閉力矩值。

在設計上力矩凸輪未直接固定，僅靠力矩彈簧壓縮反作用力和力矩桿臺階面背帽之間的相互頂力使之穩(wěn)固。檢查電動頭力矩機構發(fā)現(xiàn)，力矩機構上的凸輪和力矩桿存在徑向間隙，凸輪有一定的轉動自由度，如圖3(b)所示，凸輪孔徑12.3 mm，力矩桿軸徑12 mm，有約0.15 mm徑向間隙，彈簧變短低于力矩桿臺階面，加載力矩后，力矩機構動作過程中電動頭的振動或力矩機構的振動會使固定不穩(wěn)的凸輪產(chǎn)生轉動，當凸輪轉動到某個位置時，凸輪無法壓到微動開關。

解體力矩機構發(fā)現(xiàn)，力矩彈簧長度僅74 mm，不足76 mm，短彈簧使力矩凸輪的高度比力矩桿臺階面低1 mm，如圖3(a)所示，緊固背帽時短彈簧不能頂緊力矩凸輪使其超過臺階面，力矩凸輪無法被背帽緊固而松動。當把力矩彈簧更換成長度為76 mm的彈簧后，螺帽依靠力矩彈簧的反作用力可以緊固力矩凸輪，如圖3(b)所示。

調高電動頭力矩設置值后，力矩凸輪遠離微動開關，短彈簧傳送力矩能力下降，當大力矩關閥凸輪壓縮力矩彈簧時穩(wěn)固性明顯下降，凸輪位移時會發(fā)生自由偏轉，存在一定的轉動自由度，導致其無法壓到微動開關，如圖3(c)所示。

對各電廠抽查解體12臺ST70系列型號電動頭，檢查力矩機構彈簧，實測力矩彈簧長度在73～76 mm不等。對實測數(shù)據(jù)整理歸類，按73 mm、74 mm、75 mm、76 mm 4種長度分類：

2009—2011年投運的4臺電動頭力矩彈簧長度實測為73 mm；2011—2012年投運的4臺電動頭彈簧長度實測為74 mm；2013—2015年投運的2臺電動頭力矩彈簧長度實測為75 mm；2013年和2016年采購的2臺未使用備件電動頭力矩彈簧長度實測均為76 mm。

檢查結果表明：現(xiàn)場投運的ST70型電動頭從2009—2015年隨著使用年限的增加，彈簧長度有一定變化。根據(jù)通用彈簧特性，彈簧工作在力矩上限值區(qū)間內被長期壓縮，彈簧自由長度會發(fā)生一定變化。

選2個使用過的長度變短的彈簧進行分析，如圖4。

S71： B電廠5RIS051 VP堵轉故障的力矩彈簧，彈簧長度74.40 mm

S72： 未出現(xiàn)故障的力矩彈簧，彈簧長度74.14 mm

圖4 S71，S72彈簧圖Fig.4 S71,S72 springs

對彈簧化學成分分析：檢測結果如表4，根據(jù)DIN EN10132-4的C75S和C85S彈簧鋼和國標的80彈簧鋼(GB/T 1222—2016彈簧鋼)，2個彈簧都滿足C75S但C含量超標，相對于C85S，Mn含量超標，2個彈簧均滿足國際標準80彈簧鋼的成分要求。Mn是對彈簧鋼而言是強化元素。

表4 彈簧的化學成分檢測結果

彈簧的微觀組織，如圖5所示，2個彈簧均為細小的珠光體，珠光體沿著塑性加工方向呈纖維狀組織，S72的纖維特征最明顯。如表5所示，S71的硬度低約為44.3 HRC；S72硬度高，約為46.2 HRC。 結合組織分析，S72與S71的硬度差可能是冷拉變形稍小或退火溫度稍高所致，結合成分可知，S71的硬度比S72稍低的原因是Mn的含量較低。

表5 彈簧的維氏硬度以及轉換的洛式硬度

圖5 樣品的縱向微觀組織圖(100x，200x，500x，1000x)Fig.5 Longitudinal microstructure ofthe sample(100x,200x,500x,1000x)

綜合分析：彈簧長期處于壓縮，彈簧的變形時屬于蠕變失效，蠕變和應力松弛是靜載彈簧常見的失效模式。

蠕變是固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間的延長而增加的現(xiàn)象，對應失效的彈簧，即是由于彈簧長期處于壓縮狀態(tài)，發(fā)生塑性變形(縮短)，具體的機理為在應力(以及溫度)的作用下，通過位錯運動使彈性變形逐步變成微塑性變形，當微塑性變形積累到一定程度時，就變成宏觀可見的殘留變形。

從組織和硬度分析可知，S71彈簧組織的纖維特征較S72弱，硬度也相應的低于S72，這應該與彈簧的形成工藝相關(冷拉變形量稍小或溫度稍高)。S71和S72彈簧變形均為蠕變失效。

通過梳理2009—2017年期間所有電廠的ST70型電動頭的運行信息發(fā)現(xiàn)，當力矩設置值在580 N·m以下時未發(fā)生過電動頭堵轉事件，堵轉故障均發(fā)生在電動頭力矩設置值大于等于580 N·m的情況下，且力矩設置值越高發(fā)生電動頭堵轉的概率越大，說明力矩設置值越高力矩凸輪位移越長，發(fā)生偏轉的程度也越大。根據(jù)目前多年運行信息表明，力矩彈簧長期壓縮雖然會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，彈簧長度隨使用年限的增加在一定范圍發(fā)生變化，但只有當電動頭力矩設置超過580 N·m時才會出現(xiàn)電機堵轉故障，即電動頭力矩設置值在580 N·m以下可不考慮因彈簧蠕變長度不足導致的電機堵轉故障。

3.3.2 對B電廠5RIS051 VP電動頭力矩機構檢查

B電廠5RIS051 VP電動頭堵轉時，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)2個凸輪已互相頂緊且力矩桿有向上偏移現(xiàn)象。因電動頭力矩關閥后受齒輪斜面影響力矩桿存在向左和向上的分力，如圖6所示。

圖6 力矩桿動作示意圖Fig.6 Schematic of torque rod action

測量力矩桿偏移量d1與d2差值，該差值可反映出力矩偏移量即反映出凸輪遠離微動開關的距離。測量數(shù)據(jù)見表6。

表6 B電廠5RIS051 VP電動頭力矩桿偏移量與其他同類型電動頭數(shù)據(jù)對比

表6說明隨著電動頭關力矩值的增加，當接近額定值上限時，力矩桿受力增加，分力F2增加，力矩桿偏移量(遠離微動開關距離)增加。電動頭力矩設定值為662 N·m時偏移約0.2 mm；而電動頭力矩設定值486 N·m時偏移量較小，為0.05 mm，甚至可能與不同心疊加后為負偏差，對比檢查同類型力矩桿同心度，力矩桿同心度偏差為 0.05～0.20 mm。

3.3.3 對B電廠Y5RIS051 VP電動頭力矩機構的微動開關進行檢查

微動開關外觀無異常，手壓滾輪，微動開關動作正常，實測微動開關動作后壓板剩約1 mm的自由空間，說明凸輪運行的軌跡精度要求高。對比測量同類力矩組件力矩微動開關動作所需行程。因制造差異，微動開關動作行程在9.9～10.6 mm范圍內波動為0.7 mm(見圖7)，測量數(shù)據(jù)見表7。

由表7可見，通常力矩機構的微動開關在10.2 mm動作，而B電廠5RIS051 VP微動開關動作行程裕度最小為9.9 mm才動作，比其他行程低0.3 mm。說明關凸輪行程需要更多位移才能觸發(fā)微動開關。

測量B電廠5RIS051 VP力矩組件微動開關力矩設置值為662 N·m時d3的距離并與B電廠其他RIS051 VP電動頭微動開關d3距離對比，結果見表8，2個凸輪互相頂緊極限50 mm位置(見圖6)。

表7 力矩微動開關動作行程數(shù)據(jù)對比

表8 力矩微動開關設置位置對比

圖7 力矩機構微動開關動作示意圖Fig.7 Schematic of the micro-switchaction of torque mechanism

表8說明B電廠5RIS051 VP關力矩微動開關設置位置比其他電動頭更接近凸輪極限距離，是該微動開關動作行程裕度偏小導致，隨著電動頭關力矩值增加接近額定值上限時，微動開關位置將更加接近凸輪極限位置。

4 結論

綜上所述，RIS051/052 VP電動頭堵轉故障屬同型號設備多電廠共模故障，與電纜設計、電源配置、電機出力等無關，與電動頭關力矩設定值接近額定值有關。電動頭力矩設定值接近額定值時無法徹底消除力矩機構的以下風險，導致電動頭容易發(fā)生堵轉故障。

(1)隨著電動頭力矩設定值接近額定值上限，力矩機構的力矩彈簧短2 mm情況下，大力矩關閥，凸輪壓縮力矩彈簧的穩(wěn)固性明顯下降，凸輪會發(fā)生自由偏轉壓不到微動開關。

(2)隨著電動頭力矩設定值接近額定值上限，力矩機構的力矩桿受力增加，力矩桿遠離微動開關的偏移量也增加，壓不到微動開關。

(3)隨著電動頭力矩設定值接近額定值上限，力矩機構的微動開關設置更接近與凸輪頂緊的極限位置。當微動開關個體制造差異使動作行程裕度偏小的微動開關更加接近于凸輪頂緊極限位置，緩沖行程小，使凸輪還沒壓到微動開關就被頂緊到位。

各電廠已完成所有RIS051/052 VP電動頭的長彈簧更換及整體力矩機構更換工作，電動頭堵轉故障未再出現(xiàn)。

根據(jù)以上故障原因分析，各電廠逐步發(fā)起降低RIS051/052 VP設定力矩值的申請流程，A電廠在2019年1月重新計算在最高的動作壓差下閥門3/4RIS051/052 VP所需力矩值為346 N·m，并依此計算值評估通過將電動頭設定力矩值降到561 N·m，目前A電廠3RIS051/052 VP降力矩值改造已實施完成。