CARR安全棒驅(qū)動回路核級電磁閥國產(chǎn)化替代與驗證

朱吉印 羅忠 張?zhí)鞓?/p>

1. 中國原子能科學研究院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所 北京 102413；2. 鞍山電磁閥有限責任公司 遼寧 鞍山 114300

引言

CARR安全棒驅(qū)動機構(gòu)采用水力驅(qū)動方式。安全棒驅(qū)動回路由水力驅(qū)動泵、電磁閥、過濾器及相關(guān)管道、閥門組成。驅(qū)動回路中安裝有4臺電磁閥。反應(yīng)堆啟動時，通過開啟水力驅(qū)動泵、關(guān)閉電磁閥實現(xiàn)安全棒提升；正常停堆或緊急停堆時，水力驅(qū)動泵停止的同時電磁閥開啟，使安全棒下落至底部位置。

電磁閥是安全棒驅(qū)動回路中重要的安全部件，原電磁閥均為進口產(chǎn)品，使用時間已超過10年，期間發(fā)生過兩次線圈燒毀故障。開展國產(chǎn)化進行替代研究是必須的和必要的，國產(chǎn)核級電磁閥經(jīng)過嚴格測試，各項指標滿足設(shè)計要求，可以很好地替代進口電磁閥，本文對相關(guān)測試內(nèi)容進行介紹。

1 安全棒國產(chǎn)核級電磁閥介紹

安全棒國產(chǎn)核級電磁閥總體結(jié)構(gòu)為直動式結(jié)構(gòu)，斷電時打開。特點是在真空、負壓、零壓差時能正常工作，DN50以下可任意安裝，但電磁頭體積較大[1]。其主要技術(shù)參數(shù)為：安全等級為SC-3，抗震類別是I類，質(zhì)保等級為QA1，電裝要求1E級，絕緣等級H級，防護等級IP65。

電磁閥與管路采用法蘭方式連接，研制的新電磁閥與原進口電磁閥的接口尺寸一致，可相互替換。

2 國產(chǎn)核級電磁閥檢測

國產(chǎn)核級電磁閥在出廠前需要進行檢測，目的是確保廠家生產(chǎn)的電磁閥質(zhì)量符合技術(shù)標準規(guī)定的要求。其主要檢查內(nèi)容包括外觀、絕緣性、絕緣強度、密封性、工作壓差、正向閥座泄漏量和水壓強度等[2]。

2.1 外觀檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥外觀進行檢查，目的是保證其外觀的完好性、裝配的完整性、包絡(luò)尺寸和重量符合規(guī)定要求，主要內(nèi)容有：

①電磁閥表面光潔、牢固、不應(yīng)有碰傷和劃痕等缺陷；②電磁閥的標識、標記應(yīng)符合產(chǎn)品總圖規(guī)定；③銘牌應(yīng)清晰，不得有翹角和脫落；④電磁閥的裝配應(yīng)符合產(chǎn)品圖紙規(guī)定，無螺栓松動現(xiàn)象；⑤電磁閥的包絡(luò)尺寸及重量應(yīng)符合電磁閥參數(shù)表規(guī)定。

2.2 絕緣電阻檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥絕緣性進行檢查，以保證電磁閥使用中的用電安全，其方法是電磁閥斷電，將電磁閥線圈的兩個接線端、信號組件的四個接線端分別短路連接，然后用絕緣電阻測試儀分別測定線圈接線端、信號接線端與外殼間的絕緣電阻，待測量指示穩(wěn)定后開始計時，測定時間不少于10s。測得的絕緣電阻值應(yīng)大于規(guī)定阻值。

2.3 絕緣強度檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥進行絕緣強度檢查，目的是為了保證電磁閥具備一定的絕緣水平,使它能在長期運行電壓及過電壓的作用下不受損壞。它的安全可靠程度用耐受電壓作用的能力來衡量。其檢查方法是：

①測定前應(yīng)將電磁閥外殼可靠接地。②電磁閥斷電，將電磁閥線圈兩個接線端、信號三個接線端分別短路連接，然后在高壓試驗裝置上進行測定。③將規(guī)定的測試電壓分別施加在電磁閥線圈與外殼間、信號接線端與外殼間。④測定時以測量裝置的正確指示容許的最快速度逐漸地從0V開始增加，到規(guī)定的試驗電壓后保持1分鐘，然后以裝置所容許的速度取消試驗電壓，以免引起過電壓。測定過程中不應(yīng)有放電、飛弧或擊穿現(xiàn)象，漏電流應(yīng)不大于規(guī)定電流值。

2.4 密封性檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥進行密封性檢查，目的是為了及時發(fā)現(xiàn)電磁閥鑄造和加工中的缺陷，避免造成回路液體泄漏。密封性檢查方法是：將電磁閥的一端封堵，從另一端通以規(guī)定試驗壓力的試驗介質(zhì)，保壓至規(guī)定時間。試驗期間觀察電磁閥各連接處是否出現(xiàn)泄漏情況。

2.5 工作壓差檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥進行密封性檢查，目的是為了檢查電磁閥在工作壓差下動作情況及開關(guān)閥位指示的正確性。其檢查方法是：

2.5.1 電磁閥分別通以規(guī)定的試驗電壓，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，輸出關(guān)閥信號。

2.5.2 從電磁閥的進口通入規(guī)定壓力的試驗介質(zhì)，斷電后電磁閥開啟，輸出開閥信號。電磁閥啟閉動作5次，每次動作時，觀察電磁閥的動作情況及開關(guān)閥位指示情況。每次動作過程中，電磁閥均動作靈活、無異常響聲，閥位指示正常。

2.6 正向閥座泄漏量檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥進行正向閥座泄漏量檢查，以檢查電磁閥關(guān)閉性能，其方法是在規(guī)定的環(huán)境條件下，給電磁閥通規(guī)定試驗電壓使其關(guān)閉，從電磁閥的進口通以規(guī)定試驗壓力的試驗介質(zhì)，出口端排空，保壓至規(guī)定時間。保壓期間，出口處應(yīng)無可見泄漏。

2.7 水壓強度檢查

對國產(chǎn)核級電磁閥進行水壓強度檢查是為了檢驗閥門承壓件強度，使裝置能安全承受正常的操作壓力，其方法是：

2.7.1 將閥體、端蓋、管組件及六角螺栓組裝后安裝在試驗工裝上，通以規(guī)定壓力的試驗介質(zhì)，保壓10min，保壓過程中，目測閥門承壓件是否出現(xiàn)變形或任何可見的外泄漏；

2.7.2 將閥盤組件安裝在試驗工裝上，通以規(guī)定壓力的試驗介質(zhì)，保壓10min，保壓期間，承壓件及閥盤組件不得有滲漏、變形和損壞現(xiàn)象。

3 國產(chǎn)核級電磁閥回路試驗

國產(chǎn)核級電磁閥回路試驗是利用安全棒試驗臺架對國產(chǎn)核級電磁閥進行測試，通過檢驗安全棒驅(qū)動回路系統(tǒng)的整體功能與性能，判斷國產(chǎn)化核級電磁閥是否滿足安全棒驅(qū)動回路的工作要求。

3.1 動態(tài)試驗

國產(chǎn)核級電磁閥的動態(tài)試驗是通過對安全棒進行提棒落棒試驗，驗證國產(chǎn)核級電磁閥在安全棒驅(qū)動回路工作的穩(wěn)定性。一共進行了2061次提棒落棒試驗[3]，安全棒的落棒時間在0.73～0.80s之間變化，落棒時間如表1所示，安全棒落棒時間滿足小于1s的設(shè)計要求，在試驗中無卡棒故障，安全棒在頂時也未出現(xiàn)落棒故障。

在動態(tài)試驗提棒落棒試驗中，國產(chǎn)核級電磁閥每次開閥動作的響應(yīng)時間在10ms-30ms之間，該響應(yīng)時間采用PLC編寫的開閥動作響應(yīng)時間測試程序進行測量，PLC提供的最小單位時基是10ms，故測試時間為10ms的整數(shù)倍。用示波器對國產(chǎn)核級電磁閥開閥動作響應(yīng)時間進行了隨機抽測，其結(jié)果如表1所示，整個試驗過程中，國產(chǎn)核級電磁閥響應(yīng)時間滿足小于等于50ms的技術(shù)要求[4]。

表1 PLC與示波器測量響應(yīng)時間對比關(guān)系

在動態(tài)試驗中，國產(chǎn)核級電磁閥溫度29.5～39.8℃之間變化，滿足國產(chǎn)核級電磁閥工作溫度在80℃以內(nèi)的技術(shù)要求。

3.2 靜態(tài)試驗

國產(chǎn)核級電磁閥的靜態(tài)試驗是模擬反應(yīng)堆運行期間，將安全棒一直保持在頂部，觀察電磁閥的工作特性。試驗開始后320min，國產(chǎn)核級電磁閥溫度由26.3℃升至61.5℃，隨后在61.5～64.2℃之間波動，滿足國產(chǎn)核級電磁閥工作時溫度在80℃以內(nèi)的技術(shù)要求。

靜態(tài)試驗中電磁閥工作溫度比動態(tài)試驗時溫度要高約20℃，其原因是靜態(tài)試驗時安全棒保持在頂部時，國產(chǎn)核級電磁閥一直處于通電關(guān)閉狀態(tài)。動態(tài)試驗時，進行提棒和落棒，國產(chǎn)核級電磁閥處于間歇通電工作狀態(tài)，故靜態(tài)試驗中電磁閥工作溫度比動態(tài)試驗中電磁閥溫度要高一些。

在國產(chǎn)核級電磁閥溫度平衡區(qū)間61.5～64.2℃進行了動態(tài)試驗，安全棒的落棒時間在0.72～0.78s之間變化，響應(yīng)時間在10～20ms之間變化，落棒時間和響應(yīng)時間未出現(xiàn)異常。回路落棒時間滿足小于1s的設(shè)計要求，在試驗中無卡棒故障，安全棒在頂時也未出現(xiàn)落棒故障。

3.3 國產(chǎn)核級電磁閥和進口電磁閥對比試驗

3.3.1 靜態(tài)試驗。將安全棒提到頂，試驗開始后國產(chǎn)核級電磁閥和進口電磁閥溫度同步上升，國產(chǎn)核級電磁閥平衡溫度比進口電磁閥平衡溫度高出1～2.5℃，國產(chǎn)核級電磁閥溫度平衡區(qū)間61.5～64.2℃。

3.3.2 動態(tài)試驗。將安全棒提升到頂部后，進行不同狀態(tài)下的落棒試驗，其結(jié)果如表2所示。

表2 進口和國產(chǎn)電磁閥的落棒試驗結(jié)果

狀態(tài)1：單開進口電磁閥進行落棒試驗并記錄落棒時間；狀態(tài)2：單開國產(chǎn)電磁閥進行落棒試驗并記錄落棒時間；狀態(tài)3：同時開啟進口和國產(chǎn)電磁閥進行落棒試驗并記錄落棒時間。

4 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

在試驗中，安全棒提棒落棒次數(shù)大于2000次，未出現(xiàn)過卡棒故障和安全棒脫離上部終端等故障，落棒時間小于1s，國產(chǎn)核級電磁閥滿足安全棒驅(qū)動回路設(shè)計要求。

國產(chǎn)核級電磁閥狀態(tài)由打開到關(guān)閉的響應(yīng)時間均小于50ms，通電工作時最高溫度小于80℃，響應(yīng)時間和工作溫度均符合國產(chǎn)核級電磁閥技術(shù)規(guī)格書的設(shè)計要求。

單開國產(chǎn)核級電磁閥的落棒時間比單開進口電磁閥的落棒時間小，參數(shù)優(yōu)于進口電磁閥，但平衡溫度點比進口電磁閥平衡溫度點高出1-2.5℃，在設(shè)計或制造工藝上還需要進一步優(yōu)化。

5 結(jié)束語

通過國產(chǎn)核級電磁閥的檢測和國產(chǎn)核級電磁閥回路試驗，驗證了國產(chǎn)核級電磁閥各項技術(shù)指標均滿足《CARR安全棒水力驅(qū)動系統(tǒng)核級電磁閥技術(shù)規(guī)格書》設(shè)計要求；在裝有國產(chǎn)核級電磁閥的安全棒驅(qū)動回路中，安全棒落棒時間滿足小于1s的設(shè)計要求，在試驗中無卡棒故障和安全棒脫離上部終端等故障。

國產(chǎn)核級電磁閥能夠滿足CARR安全棒系統(tǒng)使用要求，可以在CARR安全棒驅(qū)動回路中替代進口電磁閥，相關(guān)技術(shù)對其他反應(yīng)堆的核級電磁閥實現(xiàn)國產(chǎn)化具有借鑒意義。