核電廠電動(dòng)球閥可靠性定量分析

李耀武 趙雪岑 王 磊 艾 陽 黎昭文 王昌朔 王嘉瑞 李 毅

（1、核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213 2、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610213）

1 概述

電動(dòng)球閥廣泛應(yīng)用于核電廠各系統(tǒng)，部分電動(dòng)球閥為安全級(jí)設(shè)備，其可靠性對(duì)于系統(tǒng)安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)電動(dòng)球閥受結(jié)構(gòu)、材料制造、加工工藝等因素制約，存在密封性能不高、不定期短時(shí)泄漏、動(dòng)作壽命較低、動(dòng)作卡滯等問題[1-3]。提升電動(dòng)球閥可靠性對(duì)核電廠系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，降低維護(hù)修理費(fèi)用等具有重大意義。

本文在電動(dòng)球閥故障分析的基礎(chǔ)上，掌握電動(dòng)球閥關(guān)鍵零部件的失效規(guī)律，建立了電機(jī)、軸承、閥座球體密封、中法蘭密封以及閥座閥體密封的故障率數(shù)學(xué)模型。選取某核電廠用安全級(jí)電動(dòng)球閥，進(jìn)行了整機(jī)故障率、平均無故障動(dòng)作次數(shù)以及可靠度的試算。

2 電動(dòng)球閥主要結(jié)構(gòu)

電動(dòng)球閥主要由閥門部分和電傳動(dòng)裝置兩部分組成。部分回轉(zhuǎn)的電傳動(dòng)裝置位于金屬密封球閥的上方，是驅(qū)動(dòng)閥門啟閉的動(dòng)力源。閥門部分主要由閥體、球體、閥座、軸承等組成。電傳動(dòng)裝置由電機(jī)、減速器、軸承等組成。電動(dòng)球閥的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

閥門常見故障模式主要分為密封失效和動(dòng)作失效兩種類型，密封失效包括內(nèi)密封失效和內(nèi)密封失效，會(huì)影響閥門截?cái)嘟橘|(zhì)的能力和導(dǎo)致放射性介質(zhì)泄漏；動(dòng)作失效主要表現(xiàn)形式為卡滯、電氣部件損壞、異常噪音等[4]。

3 電動(dòng)球閥可靠性框圖

可靠性框圖是由代表產(chǎn)品或功能的方框和連線組成，表示各組成單元的正?；蚴顟B(tài)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響的邏輯圖。根據(jù)用途，可靠性框圖可以分為基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖。

3.1 基本可靠性框圖

圖2 電動(dòng)球閥基本可靠性框圖

3.2 任務(wù)可靠性框圖

電動(dòng)球閥可靠性和順利動(dòng)作的任務(wù)可靠性框圖同基本可靠性框圖。

4 可靠性數(shù)學(xué)模型及試算[5]

根據(jù)上述故障模式及可靠性框圖，本部分建立了電動(dòng)球閥故障率數(shù)學(xué)模型。以某電動(dòng)球閥為研究對(duì)象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)，確定各部件的故障率，根據(jù)試算結(jié)果獲得閥門整體故障率。

4.1 可靠性數(shù)學(xué)模型

故障率是指“工作到某時(shí)刻尚未發(fā)生故障（失效）的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障（失效）的概率”。電動(dòng)球閥的故障率可用如下公式表示：

式中：λV——閥門整機(jī)失效率；

λM——電機(jī)失效率，見第4.1.1 節(jié)；

λBE——軸承失效率，見第4.1.2 節(jié)；

λST——閥芯傳動(dòng)部件失效率，由于目前尚無傳動(dòng)裝置或其零部件結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)據(jù)，故本文暫不考慮其失效率，取值為0；

λFQE——閥座球體密封失效率，見第4.1.3 節(jié)；

λFSE——中法蘭密封失效率，見第4.1.4 節(jié)；

λFFE——閥座閥體密封失效率，見第4.1.5 節(jié)；

λHO——閥體失效率，取值為0.01 次/百萬次。

4.1.1 電機(jī)失效率

表1 軸承使用條件系數(shù)

ν0=2×10-8lbf·min/in2，ν——流體動(dòng)力粘度，單位為lbf·min/in2。

常見介質(zhì)Cν值見表2。

CN——介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒影響系數(shù)

由于一回路系統(tǒng)閥門工作介質(zhì)清潔度較高，取值為1。

CB——閥芯間隙影響系數(shù)

當(dāng)間隙B＜500μin，CB=0.42；

表2 常見介質(zhì)在不同溫度下Cν取值表

CDS——閥芯直徑影響系數(shù)

CDS=0.615DSP

DSP——閥芯直徑，單位為in。

Cμ——摩擦影響系數(shù)，見表3。

表3 不同閥座閥芯接觸材料的摩擦影響系數(shù)

當(dāng)（TR-TO）≤40oF 時(shí)，t=（TR-TO）/18；

當(dāng)（TR-TO）＞40oF 時(shí)，CT=0.21。其中TR——密封設(shè)計(jì)額定溫度，單位為oF，見表4；TO——密封使用溫度，單位為oF。

CN——介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒影響系數(shù)；同閥座球體密封，見4.1.3 節(jié)。

4.1.5 閥座閥體密封失效率

表4 典型密封材料額定溫度

電動(dòng)球閥閥座與閥體間的密封構(gòu)件采用波紋管（膜片）。波紋管在閥座密封系統(tǒng)中既作為密封元件，又具有彈性元件作為閥座組件熱脹冷縮的補(bǔ)償功能，是實(shí)現(xiàn)閥座密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的重要保證。采用動(dòng)密封公式計(jì)算：

λFSE，B——基本失效率，取值1.25 次/百萬轉(zhuǎn);

CQ——允許泄漏率影響系數(shù)；同閥座球體密封，見4.1.3 節(jié)。

CH——接觸應(yīng)力影響系數(shù)；同中法蘭密封，見4.1.4 節(jié)。

CF——密封面粗糙度影響系數(shù)

當(dāng)f≤10μin，CF=1.0

Cν——流體粘度影響系數(shù)；同閥座球體密封，見4.1.3 節(jié)。

CT——溫度影響系數(shù)；同中法蘭密封，見4.1.4 節(jié)。

CN——介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒影響系數(shù)；同閥座球體密封，見4.1.3 節(jié)。

CPV——壓力轉(zhuǎn)速影響系數(shù)；該系數(shù)為實(shí)際使用時(shí)PV 值與設(shè)計(jì)PV 值的比值，閥門取為1。

4.2 故障率試算

對(duì)某核級(jí)電動(dòng)球閥進(jìn)行故障率試算，結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下表5 所示。

表5 電動(dòng)球閥設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.4 中法蘭密封失效率

4.2.7 無故障動(dòng)作次數(shù)[6]

對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，當(dāng)其工作進(jìn)入偶然故障期后，其故障率接近常數(shù)，可按指數(shù)分布處理，此時(shí)平均無故障動(dòng)作次數(shù)及可靠度計(jì)算公式分別為：

即電動(dòng)球閥平均無故障動(dòng)作次數(shù)為1815 次，工作300 次不發(fā)生故障的概率為84.8%，其整機(jī)可靠性相對(duì)較低，必須采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施或定期更換易損件來提高密封結(jié)構(gòu)的可靠性，從而提高閥門整機(jī)可靠性，保證滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié)論

本文在電動(dòng)球閥故障模式分析的基礎(chǔ)上，建立了電動(dòng)球閥故障率數(shù)學(xué)模型以及閥門整機(jī)的可靠性數(shù)學(xué)評(píng)估方法。選取了典型參數(shù)的電動(dòng)球閥，根據(jù)其設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)，對(duì)關(guān)鍵部位故障率進(jìn)行了計(jì)算，并據(jù)此對(duì)閥門整體進(jìn)行了可靠性（無故障動(dòng)作次數(shù)和可靠度）評(píng)估。結(jié)果表明電動(dòng)球閥在高參數(shù)工況條件下的密封故障率較高，平均無故障動(dòng)作次數(shù)不高，其中閥座球體密封、中法蘭密封、閥座閥體密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提升電動(dòng)球閥可靠性的關(guān)鍵因素。

本文建立的可靠性模型以及電機(jī)、軸承、閥座球體密封、中法蘭密封、閥座閥體密封的故障率模型，可為類似閥門的可靠性分析評(píng)估以及關(guān)鍵部位可靠性提升研究提供參考。