核安全級閥門電動裝置補(bǔ)充驗(yàn)證方案研究

譚文治，黃一鳴，任學(xué)銘，蔣培雷

(上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所有限公司，上海 200233)

0 引言

依據(jù)《進(jìn)口民用核安全設(shè)備監(jiān)督管理規(guī)定(HAF604)》，需要進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證的核安全級閥門電動裝置為用戶(核電站)已完成國外工廠驗(yàn)收待安裝使用的設(shè)備。設(shè)備依據(jù)配套閥門定制，其關(guān)鍵參數(shù)已由生產(chǎn)方調(diào)試定型并通過用戶驗(yàn)收。

補(bǔ)充驗(yàn)證方案是在用戶自行驗(yàn)收的基礎(chǔ)上進(jìn)行第三方實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)充測試，以確保設(shè)備性能符合使用要求，排除運(yùn)輸、儲存對設(shè)備性能的潛在影響，并保證設(shè)備在補(bǔ)充驗(yàn)證后不影響既定參數(shù)且不對設(shè)備造成損傷，以便設(shè)備能正常安裝使用?，F(xiàn)階段不具備針對性的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，主要參考標(biāo)準(zhǔn)是針對生產(chǎn)線末端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對性能的測試不夠全面，對產(chǎn)品參數(shù)的更改不可避免。部分項(xiàng)目對機(jī)械結(jié)構(gòu)有不可逆損傷，影響裝置在核電站的后續(xù)安裝使用，缺乏適用性[1]。

本文在核安全級閥門電動裝置補(bǔ)充驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，結(jié)合主要參考標(biāo)準(zhǔn)，對核安全級電動裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行理論和數(shù)據(jù)分析，探討并提出適用的補(bǔ)充驗(yàn)證方案。

1 對參考項(xiàng)目的理論及數(shù)據(jù)分析

目前，補(bǔ)充驗(yàn)證方案由各核電站參照NB/T 20010.11—2010提出。這些方案普遍忽略了產(chǎn)品的特殊性與試驗(yàn)項(xiàng)目的適用性，存在的共性問題包括部分試驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室無法順利進(jìn)行、樣品在試驗(yàn)后設(shè)定參數(shù)丟失、樣品部件的不可逆損傷等。這些問題影響了樣品在核電站的安裝使用，造成多方的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。本文對涉及的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行理論分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證，以提出統(tǒng)一、適用的補(bǔ)充驗(yàn)證規(guī)則[2]。

1.1 手動、電動切換

手動、電動切換檢查項(xiàng)目為NB/T 0010.11—2011的6.7項(xiàng)，包括空載切換與加載切換。其目的是驗(yàn)證緊急情況下手動、電動切換機(jī)構(gòu)的可靠性[3]。

加載試驗(yàn)要求“調(diào)整轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)至最大控制轉(zhuǎn)矩，啟動電動機(jī)并加載直至轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)動作，停止后不卸載荷”[4]，切換手動操作，而后切換電動操作。在實(shí)驗(yàn)室完全按照標(biāo)準(zhǔn)描述進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)以下問題：在電動模式下加載制動后，力矩開關(guān)動作，使電動裝置的控制回路切斷，無法再繼續(xù)按當(dāng)前方向運(yùn)行；而反向運(yùn)行則因載荷不卸載觸發(fā)反向力矩開關(guān)動作，造成電動裝置在力矩開關(guān)觸發(fā)后不卸負(fù)載的情況下無法進(jìn)行電動操作，無法驗(yàn)證切換機(jī)構(gòu)的可靠性。為完成標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載條件下的驗(yàn)證測試，需對電動控制回路進(jìn)行人為操作，即在切換為手動模式后將力矩開關(guān)斷開與電動控制回路的連接，使電動控制回路直接控制電機(jī)運(yùn)行。因此，再次切換為電動模式后，輸出軸負(fù)載不觸發(fā)控制回路斷路，電動裝置能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，以此驗(yàn)證切換機(jī)構(gòu)能否在負(fù)載條件下正常切換。

加載切換項(xiàng)目在已經(jīng)安裝好的工程現(xiàn)場無法實(shí)施，在實(shí)驗(yàn)室可通過改變閥門的控制回路驗(yàn)證切換機(jī)構(gòu)的切換可靠性。在對標(biāo)準(zhǔn)測試方法進(jìn)行修改補(bǔ)充后，可采納為驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.2 位置指示機(jī)構(gòu)

位置指示機(jī)構(gòu)檢查項(xiàng)目為NB/T 20010.11—2011的6.8項(xiàng)，要求配置機(jī)械式行程指針。此項(xiàng)目在標(biāo)準(zhǔn)中為選擇項(xiàng)，并非必要項(xiàng)。

核電安全級閥門電動裝置通過行程開關(guān)設(shè)置行程，通過行程控制回路實(shí)現(xiàn)開關(guān)位置或運(yùn)行狀態(tài)的指示，并將位置信息傳輸至控制室。在這種前提下，配置機(jī)械式指針并沒有實(shí)際意義[5]。目前，在實(shí)驗(yàn)室所完成的補(bǔ)充驗(yàn)證樣品均不配機(jī)械式位置指針。位置指針并非必要項(xiàng)，不應(yīng)采納為補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.3 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩檢查項(xiàng)目為NB/T20010.11—2011的6.9項(xiàng)。試驗(yàn)要求“使轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)不起作用，電源電壓降至額定電壓的90%，啟動電動裝置并逐漸加載，直至轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)動作”[4]。此時(shí)，測得的輸出轉(zhuǎn)矩值為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。按以上方法測得的電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩。

實(shí)驗(yàn)室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法對不同設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩的樣品進(jìn)行堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測試。實(shí)驗(yàn)室堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)

在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法測試中，電動裝置的運(yùn)行不受力矩開關(guān)的保護(hù)作用，加載直至電機(jī)堵轉(zhuǎn)過程使設(shè)備暴露于遠(yuǎn)超出廠設(shè)定的保護(hù)轉(zhuǎn)矩的載荷下，易使設(shè)備產(chǎn)生不可逆損傷。4臺樣品均出現(xiàn)了電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象。1#樣品與4#樣品分別承受了3.15倍和1.94倍設(shè)定扭矩值的負(fù)載，分別導(dǎo)致運(yùn)行噪聲增大和整機(jī)無法運(yùn)行[6]。

電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于電動裝置的設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩，因此只需保證電機(jī)在設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即可表明電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩。因此，鑒于《進(jìn)口民用核安全設(shè)備補(bǔ)充驗(yàn)證工作細(xì)則》中保證驗(yàn)證項(xiàng)目為非破壞性、非損害性項(xiàng)目且不影響后續(xù)安裝使用的原則，對試驗(yàn)方法進(jìn)行修改優(yōu)化。優(yōu)化方案包括：使轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)不起作用；把電源電壓降至額定電壓的90%；啟動電動裝置并逐漸加載至額定控制轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，電機(jī)能正常運(yùn)行而不發(fā)生堵轉(zhuǎn)。試驗(yàn)方法修改后，既可驗(yàn)證電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是否大于設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩，又能避免設(shè)備的損傷。因此，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩檢查可采納為補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.4 最大與最小控制轉(zhuǎn)矩

最大與最小控制轉(zhuǎn)矩檢查項(xiàng)目為NB/T 20010.11—2011的6.10項(xiàng)。其目的是測試電動裝置的力矩可調(diào)范圍。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證的樣品中，部分樣品的力矩開關(guān)鎖死，無法調(diào)節(jié)；部分樣品調(diào)整力矩開關(guān)后，無法準(zhǔn)確恢復(fù)出廠設(shè)定的控制力矩值。最大與最小控制轉(zhuǎn)矩檢查改變了出廠設(shè)定參數(shù)，且無法準(zhǔn)確恢復(fù)，影響后續(xù)安裝使用[7]，不適用于核電安全級閥門電動裝置的補(bǔ)充驗(yàn)證，不應(yīng)采納為補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.5 設(shè)置轉(zhuǎn)矩

設(shè)置轉(zhuǎn)矩檢查項(xiàng)目為NB/T 20010.11—2011的6.11項(xiàng)。此項(xiàng)目同樣需要調(diào)整力矩開關(guān)，使力矩保護(hù)脫離出廠設(shè)定，影響后續(xù)使用，不應(yīng)作為補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.6 設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)性偏差

設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)性偏差檢查項(xiàng)目為NB/T 20010.11—2011的6.11項(xiàng)，旨在確保力矩開關(guān)具有符合使用要求的重復(fù)性。

實(shí)驗(yàn)室對不同設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩的樣品進(jìn)行實(shí)際控制轉(zhuǎn)矩的測試。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩實(shí)測數(shù)據(jù)

4臺樣品的控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)性偏差均在±7%范圍內(nèi)，符合參考標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)驗(yàn)室在對數(shù)據(jù)整理分析中，計(jì)算得到3#樣品設(shè)定轉(zhuǎn)矩誤差為10.7%。為避免此設(shè)備影響后續(xù)配套閥門的正常使用，在與核電站用戶溝通后，增加設(shè)定轉(zhuǎn)矩誤差的驗(yàn)證項(xiàng)目，以確保該樣品在維修合格前不得在核電站安裝使用。

由表2數(shù)據(jù)可知，控制轉(zhuǎn)矩的重復(fù)性測試并不能全面驗(yàn)證受試設(shè)備的力矩控制性能。對此，應(yīng)補(bǔ)充設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩的誤差試驗(yàn)作為必要的補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.7 行程控制機(jī)構(gòu)誤差

行程控制機(jī)構(gòu)是用于控制電動裝置開啟、關(guān)閉位置的一種可自動切斷電源。其控制誤差直接反映電動裝置運(yùn)行的控制精度并影響控制系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行。行程控制機(jī)構(gòu)誤差是電動裝置重要的性能指標(biāo)。應(yīng)將行程控制機(jī)構(gòu)誤差檢查作為必要的補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目，以保證電動裝置具有可靠的行程控制性能[8]。

1.8 強(qiáng)度試驗(yàn)

強(qiáng)度試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證整機(jī)機(jī)械強(qiáng)度。試驗(yàn)要求在電動裝置承受1.8倍或2倍的設(shè)定力矩的載荷后，拆解電動裝置，檢查零件損傷情況[9]。

強(qiáng)度試驗(yàn)涉及拆解以及重新組裝，適用生產(chǎn)線末端產(chǎn)品驗(yàn)證。而對于核電設(shè)施應(yīng)用端的產(chǎn)品，拆解重組對力矩開關(guān)與行程開關(guān)等控制精度造成偏離，甚至需返廠進(jìn)行組裝與調(diào)試，對設(shè)備控制性能以及后續(xù)安裝與使用有潛在影響。因此，強(qiáng)度試驗(yàn)作為補(bǔ)充驗(yàn)證是不適用的。

1.9 基本檢查項(xiàng)目

基本檢查項(xiàng)目[4]包括外觀檢查、電氣接線與導(dǎo)線檢查、電氣間隙和爬電距離、手輪與輸出軸轉(zhuǎn)動方向檢查、絕緣電阻、介電試驗(yàn)、噪聲檢查。其中，手輪與輸出軸轉(zhuǎn)動方向、電氣間隙和爬電距離不因設(shè)備的運(yùn)輸和儲存影響而改變，無需作為補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。其他項(xiàng)目在試驗(yàn)過程中，對設(shè)備出廠設(shè)定參數(shù)不作更改且不會對設(shè)備造成損傷，可以選擇性地采納為補(bǔ)充驗(yàn)證項(xiàng)目。

2 核安全級閥門電動裝置補(bǔ)充驗(yàn)證方案

基于核安全級閥門電動裝置的設(shè)計(jì)、應(yīng)用理論與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析，本文提出以下可行的補(bǔ)充驗(yàn)證方案。

2.1 外觀與電氣間隙、導(dǎo)線檢查

依據(jù)NB/T 20010.11—2010第6.2項(xiàng)，外觀與電氣間隙、導(dǎo)線檢查可設(shè)為可選項(xiàng)。

2.2 絕緣電阻檢查

絕緣電阻檢查建議作為選擇項(xiàng)。依據(jù)GB/T 3797—2016進(jìn)行試驗(yàn)，要求絕緣電阻≥100 MΩ[10]。

2.3 噪聲檢查

噪聲檢查在空載條件下按GB/T 3797—2016進(jìn)行試驗(yàn)，要求噪聲≤75 dB(A)[10]。

2.4 手動、電動切換檢查

空載條件下，從電動切換到手動或從手動切換到電動，輸出軸應(yīng)能可靠轉(zhuǎn)動[11]。

負(fù)載條件下，調(diào)整轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)至最大控制轉(zhuǎn)矩，啟動電動機(jī)并加載，直至轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)動作；停止后不卸載荷，切換手動操作輸出軸應(yīng)能可靠轉(zhuǎn)動；改變控制回路，使力矩開關(guān)不作用，切換電動模式，輸出軸應(yīng)能可靠轉(zhuǎn)動。

2.5 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩檢查

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩檢查建議作為選擇項(xiàng)。要求為：使轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)不起作用，電源電壓降至額定電壓的90%；啟動電動裝置并逐漸加載至設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩，電動裝置應(yīng)能正常運(yùn)行，電機(jī)不應(yīng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。

2.6 控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差檢查

產(chǎn)品安裝在試驗(yàn)臺上，在額定供電電壓下，空載啟動電動裝置并逐漸加載，直至力矩開關(guān)動作，記錄力矩開關(guān)動作時(shí)的轉(zhuǎn)矩值。分別在開、關(guān)2個(gè)方向測量3次。

按式(1)計(jì)算開、關(guān)方向的輸出轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差，要求轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差在約定的驗(yàn)收要求范圍內(nèi)，可取±7%。

(1)

式中：δ1為控制轉(zhuǎn)矩的重復(fù)偏差；MS為轉(zhuǎn)矩實(shí)測值，Nm；MA為三次測量值的平均值，Nm。

2.7 控制轉(zhuǎn)矩誤差檢查

根據(jù)2.6節(jié)試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)，按式(2)分別計(jì)算開、關(guān)方向的控制轉(zhuǎn)矩誤差，要求轉(zhuǎn)矩誤差在約定的驗(yàn)收要求范圍內(nèi)，可取±10%。

(2)

式中：δ2為控制轉(zhuǎn)矩誤差；ME為轉(zhuǎn)矩最大或最小實(shí)測值，Nm；MZ為轉(zhuǎn)矩出廠設(shè)定值，Nm。

2.8 輸出轉(zhuǎn)速誤差檢查

將電動裝置安裝在試驗(yàn)臺上，對電動裝置輸出軸施加20%～30%設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。操作電動裝置在開、關(guān)方向各運(yùn)行3次，分別記錄輸出軸轉(zhuǎn)速。按式(3)分別計(jì)算開、關(guān)方向的轉(zhuǎn)速誤差，要求輸出轉(zhuǎn)速誤差在約定的驗(yàn)收要求范圍內(nèi)，可取±5%。

(3)

式中：δ3為輸出轉(zhuǎn)速誤差；SE為轉(zhuǎn)速最大或最小實(shí)測值，r/min；SZ為轉(zhuǎn)速出廠設(shè)定值，r/min。

2.9 行程控制機(jī)構(gòu)誤差檢查

將電動裝置安裝在試驗(yàn)臺上，加載至設(shè)定控制轉(zhuǎn)矩的三分之一，運(yùn)行電動裝置分別停止在“全開”和“全關(guān)”位置，以此位置作為基準(zhǔn)。保持負(fù)載不變，操作電動裝置全開、全關(guān)分別運(yùn)行3次，每次停止位置與基準(zhǔn)位置偏差即為行程控制機(jī)構(gòu)誤差。

檢查要求行程控制機(jī)構(gòu)誤差在約定的驗(yàn)收要求范圍內(nèi)，對于多回轉(zhuǎn)電動裝置可取±5°，對于部分回轉(zhuǎn)電動裝置可取±1°[11]。

3 結(jié)論

本文結(jié)合理論分析以及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證，探討并提出了具備適用性和可行性的核安全級閥門電動裝置補(bǔ)充驗(yàn)證方案。這一方案解決了目前補(bǔ)充驗(yàn)證方案存在的諸多問題，為核電站的設(shè)備申報(bào)工作提供了方案支持，為國家核安全局進(jìn)行核安全級閥門電動裝置的復(fù)驗(yàn)審查工作提供了技術(shù)支撐。該研究對今后統(tǒng)一的核安全級閥門電動裝置補(bǔ)充驗(yàn)證方案制訂和標(biāo)準(zhǔn)化工作具有參考意義[12]。