核電站閥桿推力測量裝置的設(shè)計及應(yīng)用研究

楊 濤，李青華，簡海林，孫 湞

（國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

在流體管道系統(tǒng)中，閥門是一種常見的機械產(chǎn)品，主要用于隔離設(shè)備和管道系統(tǒng)、防止回流、調(diào)節(jié)壓力和流量，在設(shè)備系統(tǒng)運行中起著重要的控制、調(diào)節(jié)作用，且在各系統(tǒng)位置承擔(dān)著重要的安全功能。閥門設(shè)備功能的正常與否、閥門的運行狀態(tài)，直接關(guān)系到系統(tǒng)和電廠的安全經(jīng)濟運行。

在核電站，閥門基數(shù)大、故障類型多、故障頻次高，還經(jīng)常出現(xiàn)重大閥門缺陷（如閥門無法開啟、閥桿斷裂[1]、電機堵轉(zhuǎn)等）導(dǎo)致機組停機、停堆事故發(fā)生，如Davis Bess 電站主給水隔離閥無法開啟導(dǎo)致機組熱停機、Sequoyah 電站電動閘閥關(guān)閉后無法重新打開導(dǎo)致輔助給水全部流失事件。這些故障的根本原因，往往是因為閥門閥桿推力的設(shè)定不正確。因此，閥桿推力的測量和正確設(shè)定，已經(jīng)成為閥門診斷[2-4]、試驗和維修的重要手段之一。

現(xiàn)在主要有兩種方法來測量閥桿推力：一是在閥桿上安裝應(yīng)變片[5]，直接測量閥桿的變形而計算推力；另外一種則是通過安裝便捷式測量裝置，間接測量閥桿的變形和推力?？紤]到核電站特有的輻射、高溫、空間狹小等作業(yè)環(huán)境，應(yīng)變片安裝會帶來人員輻照劑量的增加和可能放射性廢物的產(chǎn)生，因此，一種能準(zhǔn)確測量閥桿推力且具備即裝即用/即拆功能的測量裝置，對工程應(yīng)用則顯得尤為重要。

本文將從閥桿推力測量的重要性、測量原理、試驗和工程應(yīng)用等方面，對具備這種功能的C 型推力測量裝置進行分析研究。

1 C 型推力測量裝置的設(shè)計及原理

1.1 推力測量的重要性

在閥門開關(guān)時，執(zhí)行機構(gòu)的輸出力傳遞到閥桿，進而作用到閥座。閥門的推力正確設(shè)定，是保障閥門密封、閥門動作、執(zhí)行機構(gòu)選型和閥門安全的重要內(nèi)容，當(dāng)前越來越多的閥門制造廠、核電機組會對閥門的推力進行測量和趨勢分析。

閥門的推力設(shè)定值，需考慮電機輸出能力、馬達降壓運轉(zhuǎn)能力、環(huán)境溫度、開關(guān)設(shè)定和測量器具的不確定度等多個因素，同時還需要考慮閥門、閥桿和執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)力極限。過大的推力設(shè)定會造成閥門設(shè)備或部件損壞，過小的推力設(shè)定會導(dǎo)致閥門無法開啟或密封不嚴(yán)等故障，這些不正確的設(shè)定將會給核電機組的安全運行帶來隱患，而且部分核電機組也曾因這些錯誤的設(shè)定發(fā)生了事故。

閥桿推力的測量是為了在安全裕度和工作裕度范圍內(nèi)，正確設(shè)定閥門推力值，保障閥門的安全運行。

1.2 裝置設(shè)計原理

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

C 型裝置的核心部件由C 型支撐、相關(guān)緊固部件和電阻應(yīng)變計組成（圖1）。C 型支撐為鈦合金材料，緊固部件為不銹鋼材料，電阻應(yīng)變計粘貼在C 型支撐弧形段靠近固定塊段位置，應(yīng)變線纜從固定塊段內(nèi)部引出，電阻應(yīng)變計和應(yīng)變線纜均采用軟性材料密封保護。

圖1 C 型裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

C 型裝置采用鏤空設(shè)計，在保障裝置剛度的同時，還可以降低裝置的整體重量、提高測量精確度。安裝時只需旋轉(zhuǎn)緊固螺栓，即可將C 型裝置安裝在閥桿上。

1.2.2 推力測量原理

C 型測量裝置是基于惠斯通全橋電阻應(yīng)變計原理工作的：在C 型支應(yīng)變片粘貼段段上、下兩表面安裝4 個電阻應(yīng)變片，組成全惠斯通電橋，進行閥桿徑向變形的間接測量（圖2）。

圖2 電阻應(yīng)變計安裝

閥桿受到推力時，會產(chǎn)生徑向變形δD，該變形會使C 型支撐兩端A 和B 產(chǎn)生徑向移動（圖3）。此時，應(yīng)變片粘貼段的電阻應(yīng)變計區(qū)域，也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，靠近閥桿和遠離閥桿的兩側(cè)，會產(chǎn)生方向相反的拉伸和壓縮，此時4 個應(yīng)變會產(chǎn)生一定的電阻變化，電橋失去平衡，輸出電壓。

圖3 閥桿變形

根據(jù)虎克定律和泊松比，可計算閥桿受到的推力值F：

式中 F——閥桿受到的推力，lbf（1 lbf=4.448 222 N）

D——閥桿直徑，in（1 in=25.4 mm）

δD——閥桿徑向變形，μin

E——閥桿材料楊氏模量，lbf/in2

γ——泊松比

u——輸出電壓，μV

U——激勵電壓，V

ω——C 型裝置靈敏度系數(shù)，（μV/V）/μin

需要說明的是，C 型裝置的靈敏度系數(shù)是在計量院，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗機和標(biāo)準(zhǔn)圓桿校準(zhǔn)而得。

1.2.3 測量裝置與直接應(yīng)變片粘貼比較

C 型測量裝置與傳統(tǒng)直接在閥桿粘貼應(yīng)變片相比較，它解決了傳統(tǒng)應(yīng)變片在輻照環(huán)境、狹小空間的作業(yè)難題，同時也解決了應(yīng)變片與閥桿材料、環(huán)境溫度要求相對應(yīng)的問題（表1）。

表1 C 型測量裝置與粘貼應(yīng)變片的比較

2 試驗和應(yīng)用研究

2.1 常見閥桿材料的幾何特性

在工程現(xiàn)場中，常見閥桿材料[6]的幾何特性參數(shù)見表2。

表2 常見閥桿材料的幾何特性參數(shù)

2.2 試驗研究

為驗證C 型裝置的推力測量能用于工程現(xiàn)場，且精度、重復(fù)度滿足要求，試驗[7]選取兩根不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)圓桿（直徑為0.625 in 和1.25 in），對該裝置的測量精度和重復(fù)度進行研究。

兩種規(guī)格圓桿的材料為17-4 不銹鋼，該材料是閥桿常用的材料，成分為0Cr17Ni4Cu4Nb。由表2 可知，其楊氏模量為28 800 000 lbf/in2，泊松比為0.291。

試驗方法是對標(biāo)準(zhǔn)圓桿進行5 級推力載荷遞增試驗，記錄C 型裝置測量的推力數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)載荷相比較，計算該裝置的測量精度和重復(fù)度。

（1）試驗1。0.625 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗。加載方法：標(biāo)準(zhǔn)推力載荷從0 加至8500 lbf，每次遞增1700 lbf，共進行6 次載荷遞增試驗。試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果見表3。

表3 0.625 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗數(shù)據(jù)

（2）試驗2。1.25 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗。加載方法：標(biāo)準(zhǔn)推力載荷從0 加至22 500 lbf，每次遞增4500 lbf，共進行6 次載荷遞增試驗。試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果見表4。

表4 1.25 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗數(shù)據(jù)

在表3 和表4 中，測量平均載荷是6 次測試的平均值，測量精度誤差τ 和重復(fù)性誤差θ 計算公式如下：

式中 Fi——測試時，第i 級加載的標(biāo)準(zhǔn)載荷

Fximax——標(biāo)準(zhǔn)載荷下，6 次重復(fù)測量的最大值

Fximin——標(biāo)準(zhǔn)載荷下，6 次重復(fù)測量的最小值

從表3 和表4 可以看出，在測試數(shù)據(jù)時穩(wěn)定，C 型裝置沒有太大的測試誤差：對于0.625 in 圓桿，測量誤差小于3.5%，重復(fù)性誤差小于0.77%；對于1.25 in 圓桿，測量誤差小于2.08%，重復(fù)性誤差小于2.76%。誤差滿足工程測量允許的要求。

2.3 工程應(yīng)用研究

基于前述的試驗研究，在工程應(yīng)用上選用1 臺電動閥、閥桿安裝C 型裝置對閥門進行開關(guān)試驗。閥門類型為電動閘閥，閥桿直徑1 in，執(zhí)行機構(gòu)為Limitorque，閥桿材料為17-4 不銹鋼。開關(guān)過程中，C 型裝置測量整個過程閥桿的推力數(shù)值，閥桿的推力曲線見圖4。

圖4 閥門開關(guān)時C 型測量裝置采集的閥桿推力曲線

結(jié)合閥門的結(jié)構(gòu)、參數(shù)分析，該推力曲線與閥門動作時的受力情況相吻合，因此，C 型裝置能有效應(yīng)用在工程現(xiàn)場。

3 結(jié)束語

試驗測試和工程研究結(jié)果表明，C 型測量裝置適用于對核電站閥門閥桿的推力測量，裝置滿足工程現(xiàn)場的測量精度和重復(fù)度要求，且不受閥桿材料限制，不受環(huán)境溫度影響，不需要使用粘貼劑，能夠做到即裝即用即拆，大大減少了工作人員在輻照環(huán)境的作業(yè)時間。另外，該推力傳感器不僅適用于核電閥門閥桿的推力測量，還可用于火電、石化、汽車、航空航天等行業(yè)的圓桿構(gòu)件推力、應(yīng)力、應(yīng)變測量。