蔣道福

（大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司生產(chǎn)部，廣東 深圳518124）

大亞灣與嶺澳核電站系統(tǒng)設(shè)備上使用了很多進(jìn)口電磁閥，目前國內(nèi)還沒有合適的替代品。隨著服役時(shí)間的延長，這些電磁閥出現(xiàn)了不少的問題。本文對電磁閥的故障現(xiàn)象、工作原理、失效模式及機(jī)理進(jìn)行全面分析，提出了電磁閥的維修策略。

1 統(tǒng)計(jì)與分析

1.1 故障現(xiàn)象

大亞灣與嶺澳核電站核島和常規(guī)島的系統(tǒng)上使用了大量進(jìn)口電磁閥，用得最多的是法國ASCO廠家生產(chǎn)的電磁閥（V301、MT302和MB等）。其中V301、MT302及主蒸汽系統(tǒng)（VVP）上的主蒸汽隔離閥上用的電磁閥故障率較高，出現(xiàn)了漏氣、漏油、生銹和卡澀拒動等故障，這些故障可能引起電磁閥密封環(huán)或閥芯損壞，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)設(shè)備的可靠性。

1.2 工作原理

電磁閥是一種在電磁力作用下動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由線圈、彈簧、線圈外殼、電磁閥芯、閥座及彈性密封橡膠等部件組成。電磁閥又分為交流電磁閥和直流電磁閥，核電廠使用最多的是直流電磁閥。

電磁閥工作時(shí)，給線圈加上額定電壓使線圈帶電勵(lì)磁，鐵芯將帶動閥芯克服彈簧力運(yùn)行，打開或關(guān)閉閥門，控制介質(zhì)流動。線圈失電時(shí)，磁場力消失，閥芯在彈簧力的作用下回座，回到初始狀態(tài)。有些電磁閥設(shè)計(jì)為調(diào)節(jié)控制，失電時(shí)將保持原來位置。

電磁閥按工作方式劃分為直動閥和先導(dǎo)閥2種類型。直動閥將所有的力都加在閥桿上，移動閥芯與閥座接觸；先導(dǎo)閥則是通過內(nèi)部1個(gè)小的氣動閥去控制壓力較大的活塞或隔膜閥，由活塞或隔膜閥去打開或關(guān)閉主閥。

電磁閥按接口數(shù)劃分為2位、3位及4位電磁閥。大多數(shù)電磁閥都使用壓縮空氣去控制系統(tǒng)流程中壓力較大的閥門，另一些電磁閥使用其他介質(zhì)（如液壓油等）去驅(qū)動較大的控制設(shè)備，如VVP系統(tǒng)主蒸汽隔離閥上的保護(hù)電磁閥、汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（GSE）及汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）上的保護(hù)電磁閥等。

1.3 受力分析

電磁閥線圈通電以后，將會產(chǎn)生1個(gè)磁場。這時(shí)閥芯將同時(shí)受到磁場力與彈簧力的作用，2個(gè)力不平衡，閥芯就會移動。如果線圈失電，則閥芯只受到彈簧力的作用。磁場力與彈簧力相互作用的關(guān)系曲線見圖1。當(dāng)電磁閥勵(lì)磁時(shí)，產(chǎn)生的磁場力大于彈簧力，使閥芯快速向閥座移動，直到二者間隙為0，閥芯與閥座完全密封。當(dāng)閥芯被磁場力驅(qū)動使其與閥座間隙為0時(shí)，這時(shí)的磁場力最大。這時(shí)彈簧力也同時(shí)作用在閥芯上，與磁場力相反。當(dāng)磁場力消失后，在彈簧力作用下，閥芯與閥座脫開回到初始位置（100%間隙）［1］。

圖1 電磁閥磁場力與彈簧力相互作用的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of solenoid magnetic and spring force interaction

由圖1可以看出，活塞在磁場力作用下移動，給彈簧加載。當(dāng)線圈加上40V電壓時(shí)，不足以克服彈簧力移動活塞（A點(diǎn)）。當(dāng)電壓提高到80V后，彈簧力與電磁力相等（B點(diǎn)）。如果電壓慢慢上升，電磁力將超過彈簧力，閥芯將開始移動，這個(gè)電壓叫作啟動電壓。當(dāng)閥芯移動到圖1左端時(shí)，閥芯與閥座的間隙減小，且電磁力增加的速度比彈簧力快，導(dǎo)致閥芯加速向閥座移動，直到完全接觸為止。根據(jù)電磁閥設(shè)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)上的工作壓力，其動作所需時(shí)間大約為5～500ms。

閥芯與閥座完全接觸時(shí)，磁場力達(dá)到最大值（C點(diǎn)），此時(shí)電磁力超過了彈簧力且存在一定的余量。如果電壓繼續(xù)提高到120V，也只是使電磁力的余量更大。當(dāng)電壓慢慢下降時(shí)，閥芯沒有動作，直到下降到40V（D點(diǎn)）時(shí)彈簧力等于電磁力。降低電壓允許閥芯開始動作，這個(gè)電壓叫作返回電壓。閥芯移動到圖1右端時(shí)，閥芯與閥座的間隙增大，磁場力減小，彈簧力余量增大，直到閥芯加速向外移動到頂端（100%間隙）。另一方面，一旦電壓降低到返回電壓值，電磁閥即將失磁，電磁力將會完全消失。

1.4 失效模式、機(jī)理及原因

根據(jù)大亞灣與嶺澳核電站相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電磁閥各種失效模式、機(jī)理及原因的百分比數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 電磁閥失效模式、機(jī)理及原因的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.2 Statistic data of solenoid valve failure mode，mechanism and reason

1.4.1 失效模式

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，電磁閥主要有以下4種失效模式：① 泄漏：電磁閥關(guān)閉不嚴(yán)，閥芯不能隔離流體介質(zhì)（氣、油、水等）；② 拒動：要求電磁閥動作時(shí)，閥門不能正確動作；③ 誤動：沒有動作信號，電磁閥自動關(guān)閉或者打開；④ 動作時(shí)間超差：電磁閥全開或者全關(guān)過程中，動作時(shí)間不滿足設(shè)計(jì)要求。各種失效模式產(chǎn)生的原因及其所占比例見圖3。

圖3 各種失效產(chǎn)生的原因及比例Fig.3 All failure reasons and percentage

1.4.2 失效機(jī)理

由機(jī)械物理引起的電磁閥失效機(jī)理主要包括：① 工作壓差超標(biāo)：電磁閥在系統(tǒng)上使用時(shí)，不滿足廠家要求的最大（最?。┙橘|(zhì)進(jìn)出口需要的壓差設(shè)計(jì)要求；② 密封環(huán)失效：彈性橡膠變硬或者腐爛分解；③ 電氣失效：線圈絕緣降級、物理損壞、焊接頭不牢固、焊接線錯(cuò)誤或者線圈出現(xiàn)開路現(xiàn)象；④ 異物：來自外部無關(guān)的物質(zhì)進(jìn)入到電磁閥內(nèi)部，影響電磁閥動作，出現(xiàn)卡澀或密封不嚴(yán)現(xiàn)象；⑤ 潤滑失效：使用的潤滑劑已經(jīng)降級或者存在不適當(dāng)?shù)臐櫥虎?其他一次失效：僅出現(xiàn)1次的失效；⑦ 不明原因：沒有足夠的信息證實(shí)的失效。

1.4.3 失效原因

電磁閥失效的原因主要包括：① 老化：電磁閥部件出現(xiàn)老化失效；② 過濾器失效：空氣太臟，電磁閥使用的過濾器堵塞或者使用了規(guī)格尺寸不合適的過濾器及濾網(wǎng)；③ 線圈過熱：線圈帶電時(shí)，電磁閥溫度上升引起過熱；④ 潤滑失效：電磁閥使用的潤滑劑出現(xiàn)惡化或進(jìn)行了不適當(dāng)?shù)臐櫥?；?質(zhì)量失效：在維修、制造、設(shè)計(jì)（包括電磁閥設(shè)計(jì)型號變更）中出現(xiàn)失誤，引起電磁閥失效；⑥ 其他一次失效：電磁閥僅發(fā)生1次失效；⑦ 不明原因：沒有找到的電磁閥失效原因。

2 維修策略

2.1 維修周期的制定

2.1.1 影響維修周期的因素

影響電磁閥壽命的因素很多，在制定電磁閥維修周期時(shí)主要考慮以下幾個(gè)影響因素：

（1）介質(zhì)污染的影響：電磁閥用在高介質(zhì)污染的系統(tǒng)上時(shí)，需要解體閥門進(jìn)行清潔，可以在每個(gè)換料周期進(jìn)行1次清洗；如果是中等程度污染，則根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)制定維修周期；污染較低時(shí)可以不進(jìn)行清潔。

（2）電氣影響：電磁閥勵(lì)磁會使線圈和密封圈產(chǎn)生熱量而降級失效。許多電磁閥有設(shè)計(jì)壽命，在運(yùn)行5～10a以后會產(chǎn)生嚴(yán)重降級。如果沒有其他數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)證明其可靠性完好，在5～10a以后，可以考慮更換。電磁閥的維修周期可以根據(jù)周圍環(huán)境、運(yùn)行溫度條件和橡膠密封圈的型號來進(jìn)行調(diào)整。

（3）介質(zhì)溫度的影響：電磁閥在運(yùn)行過程中，介質(zhì)溫度高會加速線圈和密封圈的降級，特別是對橡膠密封圈的壽命影響較大?？梢愿鶕?jù)密封圈材料所承受的溫度要求來確定更換的時(shí)間，使用耐高溫的密封材料可以延長更換時(shí)間。

（4）環(huán)境溫度的影響：環(huán)境溫度高對電磁閥線圈和密封圈的降級有很大影響。隨著溫度升高，所使用材料的壽命會逐漸降低。因此，可以根據(jù)環(huán)境溫度、廠家要求的溫度限制和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來確定電磁閥的維修周期。環(huán)境溫度可以分為3類：正常環(huán)境溫度38℃以下；中等環(huán)境溫度38～57℃；高溫環(huán)境溫度57～70℃。與正常環(huán)境溫度相比較，電磁閥在中等環(huán)境溫度下使用大約要多翻新2～3次，而在高溫環(huán)境下使用大約要多翻新4次。

（5）閥芯損壞的影響：當(dāng)電磁閥打開時(shí)，介質(zhì)流動會引起閥芯損壞和腐蝕，介質(zhì)中存在的污染物對閥門的降級影響更大。與正常關(guān)閉的閥門比較，正常打開的閥門受到流動介質(zhì)的影響更大，所以重新維修的頻率更高。正常關(guān)閉的閥門也會受到高溫、高壓介質(zhì)的影響，當(dāng)電磁閥周期性動作時(shí)，閥芯會產(chǎn)生較大的降級。根據(jù)允許泄漏流量的限制，可以要求對閥芯進(jìn)行定期維修。

（6）閥座損壞的影響：根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，閥座定期維修周期的制定主要依靠經(jīng)驗(yàn)。

（7）老化部件的影響：隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電磁閥的個(gè)別部件會出現(xiàn)老化現(xiàn)象。對老化部件進(jìn)行定期更換，使電磁閥得到翻新，可以延長電磁閥的使用壽命。老化部件更換周期主要依靠經(jīng)驗(yàn)來制定。對電磁閥的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析后可知，電磁閥的老化部件主要是線圈和密封橡膠。

① 線圈：如果沒有持續(xù)勵(lì)磁且環(huán)境濕度滿足要求，線圈有很長的壽命；如果溫度升高和持續(xù)勵(lì)磁，線圈的壽命就會減少。在正常溫度范圍內(nèi)持續(xù)勵(lì)磁，保守估計(jì)，線圈的使用壽命是4～10a（30 000～60 000h）；溫度每升高8～10℃，線圈的使用壽命會成倍降低。如果電磁閥線圈材料滿足環(huán)境質(zhì)量鑒定（EQ）程序要求，且經(jīng)過了EQ鑒定，則與沒有被EQ程序控制的電磁閥線圈材料相比，估計(jì)其使用壽命應(yīng)更加保守；

② 密封環(huán)橡膠：影響密封環(huán)橡膠的因素很復(fù)雜，所以估計(jì)密封環(huán)的壽命相當(dāng)困難。當(dāng)線圈勵(lì)磁時(shí)間延長時(shí)，電磁閥可能比環(huán)境溫度高25～50℃；如果運(yùn)行溫度接近電磁閥設(shè)計(jì)要求的上限值，密封環(huán)橡膠則只能使用幾年；如果電磁閥在比較好的環(huán)境溫度下工作，密封環(huán)橡膠可能使用5～10a或更長一些。

當(dāng)電磁閥定期修復(fù)或者更換時(shí)，可以對密封環(huán)橡膠進(jìn)行檢查，看其是否柔軟，有無變形、裂紋和壓縮等痕跡。這些信息可以作為確定電磁閥翻新和維修周期的參考。

2.1.2 確定維修周期的方法

電磁閥在整個(gè)壽期內(nèi)失效率的變化曲線形如“浴盆”：在壽期的初期較高，中期則相對較低，末期又快速上升。對于電磁閥的維修時(shí)點(diǎn)，如果選在其壽期的中期，不但浪費(fèi)資源，而且可能降低其可靠性；如果選在其壽期的末期，電磁閥失效的概率大大增加，可能影響系統(tǒng)的安全。因此，選擇電磁閥的維修時(shí)點(diǎn)即不能超前，也不能落后，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)乇Ｊ?，選擇其壽期中期與末期的臨界點(diǎn)較好。

尋找臨界點(diǎn)主要采取的5種方法是：① 測量線圈的絕緣電阻；② 測量線圈的啟動電壓和返回電壓；③ 測量線圈溫度；④ 測量電磁閥的內(nèi)部泄漏量；⑤ 電磁閥控制介質(zhì)的流量試驗(yàn)。

目前，制定電磁閥維修周期通常采用2種方法：① 在電磁閥的壽期接近臨界點(diǎn)時(shí)，可以進(jìn)行一些預(yù)防性檢查，比較當(dāng)前一些參數(shù)與可以接受的初始參數(shù)值是否存在微小差別，這些差別可能預(yù)示電磁閥的失效率將要快速上升，應(yīng)立即啟動電磁閥的首次維修活動；② 確定1個(gè)時(shí)間周期（如5a）或者運(yùn)行時(shí)間（如10 000h），到點(diǎn)就對電磁閥進(jìn)行翻新或更換。確定該時(shí)間周期時(shí)，必須參考核電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、廠家設(shè)計(jì)要求和電磁閥實(shí)際使用的情況。

2.2 維修方法

2.2.1 常規(guī)檢查

常規(guī)檢查是簡單的定性檢查方法，不需要任何設(shè)備工具，一般包括以下檢查項(xiàng)：① 電磁閥的外觀、電纜和管道系統(tǒng)是否有物理損壞；② 管道的安裝及支撐固定是否正確；③ 接線及端子連接是否適當(dāng)；④ 觀察外部泄漏證據(jù)，如水、化學(xué)沉積物痕跡；⑤ 是否有電氣過熱氣味，如線圈等其他電氣部件過熱或燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣味；⑥ 是否有電磁閥產(chǎn)生的較大的嗡嗡聲；⑦ 閥門泄漏等有無異常聲音；⑧ 用手檢查排氣口是否有泄漏。

2.2.2 核級電磁閥維修

根據(jù)閥門的安全分級要求，統(tǒng)計(jì)了大亞灣核電站安全相關(guān)設(shè)備所使用的電磁閥，有EQ質(zhì)量鑒定要求的電磁閥大約有100多個(gè)。從安全要求上考慮，這些電磁閥可能需要進(jìn)行預(yù)防性維修?？梢詤⒖挤▏娏荆‥DF）的以下維修方法：

（1）K1級電磁閥維修方法：該類電磁閥有V301、MB和MT等型號，只允許整體更換，不能更換部件。

（2）非K1級電磁閥維修方法：該類電磁閥有V301、MB、MT和M2T等型號，采取的維修方法主要是更換部件，但如果單獨(dú)更換電磁閥的密封圈、滑閥或閥門時(shí)發(fā)生卡澀就要禁止采取這種方法。不同型號電磁閥的維修方法是：①V301型電磁閥：只允許更換帶二極管的線圈和殼體（閥）。② MB型電磁閥：只允許更換閥芯組件，如帶VAMAC密封圈的彈簧和帶二極管的線圈。③ MT和M2T型電磁閥：發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)更換全套滑閥。

2.2.3 常規(guī)電磁閥的維修

常規(guī)電磁閥有3種維修方法：① 定期檢查線圈電阻；② 定期更換密封環(huán)；③ 整體定期更換電磁閥。

對于所執(zhí)行的功能不是很重要的常規(guī)電磁閥，沒有必要制定維修大綱，可以進(jìn)行糾正性維修，以節(jié)約維修成本。

2.3 維修大綱的制定和完善

在大亞灣與嶺澳核電站，根據(jù)日常出現(xiàn)的電磁閥故障現(xiàn)象、頻率以及外部事件反饋，制定了重要及使用環(huán)境惡劣的電磁閥的維修大綱。根據(jù)維修大綱的技術(shù)要求，維修方法主要是定期更換，其次是解體檢查及更換密封環(huán)。電磁閥最短的維修周期為3個(gè)換料周期，最長的維修周期為15個(gè)換料周期。

維修大綱規(guī)定，大亞灣與嶺澳核電站的核島及常規(guī)島中重要的電磁閥都必須作定期試驗(yàn)，以驗(yàn)證電磁閥在系統(tǒng)上的動作是否正常，確保在事故情況下電磁閥能夠可靠地動作，從而保護(hù)系統(tǒng)的安全。

目前維修大綱基本能保證電磁閥正常工作，在使用過程中根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)的新情況還在不斷優(yōu)化完善。

3 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外對于電磁閥缺少系統(tǒng)的維修方法，法國的核電廠沒有采用定期更換電磁閥的維修策略，糾正性維修仍是電磁閥維修的主流方法。電磁閥價(jià)格較貴，合理使用才能延長其使用壽命。改進(jìn)電磁閥線圈的級別和密封材料，可以提高其使用壽命，例如密封材料使用氟橡膠（使用溫度范圍－20～250℃）耐高溫材料比使用丁腈橡膠（使用溫度范圍－25～100℃）材料好；使用H級（最高溫度180℃）的線圈比使用B級（最高溫度130℃）的線圈好。提高電磁閥的質(zhì)量及性能，既可以降低故障率，也可以節(jié)約維修成本。大亞灣與嶺澳核電站電磁閥的維修策略對相關(guān)核電廠電磁閥的維修具有一定的參考價(jià)值。

［1］ EPRI 1007915 NP－7414 電磁閥維修導(dǎo)則［S］.