摘要：福島核事故發(fā)生之后，核電站的安全性再度受到全社會(huì)的關(guān)注，而電動(dòng)閥廣泛應(yīng)用于核電廠的專設(shè)安全系統(tǒng)中，其可靠性直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全與否。電動(dòng)閥診斷技術(shù)作為一種新型技術(shù)，是提高電動(dòng)閥可靠性的有效技術(shù)手段。文章介紹了如何確定診斷試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用該技術(shù)正確設(shè)置閥門并提高設(shè)備的可靠性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)閥；診斷試驗(yàn)；裕量；周期性驗(yàn)證試驗(yàn)；核電廠 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH138 文章編號(hào)：1009-2374（2015）22-0042-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.021

電動(dòng)閥廣泛應(yīng)用于核電廠的專設(shè)安全系統(tǒng)中，與系統(tǒng)的安全息息相關(guān)，電動(dòng)閥的失效可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的核安全事故，美國(guó)三哩島核事故主要原因之一就是電動(dòng)閥失效，因此在事故后的原因分析和后續(xù)行動(dòng)中，美國(guó)核管會(huì)對(duì)閥門的在事故工況下能否執(zhí)行其安全功能及閥門的可靠性給予了高度的關(guān)注，并發(fā)布了一系列的文件，如GL89-10、GL96-05等，其中就要求確保電動(dòng)閥在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件下能執(zhí)行其功能。電動(dòng)閥診斷技術(shù)就由此發(fā)展而來，本文主要介紹在核電廠如何應(yīng)用電動(dòng)閥診斷技術(shù)正確設(shè)置閥門和提高設(shè)備的可靠性。

1 電動(dòng)閥診斷技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 電動(dòng)閥診斷試驗(yàn)的背景

電動(dòng)閥診斷試驗(yàn)是美國(guó)核管會(huì)要求運(yùn)營(yíng)核電站必須執(zhí)行的監(jiān)督項(xiàng)目，其要求包括利用診斷測(cè)試系統(tǒng)確認(rèn)和驗(yàn)證電動(dòng)閥能夠在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下執(zhí)行其功能，建立電動(dòng)閥初始數(shù)據(jù)庫(kù)，在電站運(yùn)行壽命內(nèi)對(duì)電動(dòng)閥進(jìn)行定期驗(yàn)證試驗(yàn)。在三門核電1、2號(hào)機(jī)組的最終安全分析報(bào)告中也對(duì)電動(dòng)閥的診斷試驗(yàn)做了明確要求。

1.2 電動(dòng)閥診斷試驗(yàn)的原理

電動(dòng)閥診斷試驗(yàn)是利用安裝在閥桿上的應(yīng)力傳感器及安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣回路和控制回路中的輔助測(cè)試裝置，在閥門開關(guān)過程中實(shí)時(shí)跟蹤采集閥桿所受到的軸向推力及扭矩以及電機(jī)的工作電流、工作電壓、控制回路中控制開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間等數(shù)據(jù)，從而獲得電動(dòng)閥的運(yùn)行性能。

2 確定診斷試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

2.1 計(jì)算閥門所需推力/扭矩

以楔式閘閥為例：

閥門關(guān)閉所需最小推力：F1=

閥門開啟所需最小推力：F2=

式中：

——填料摩擦力

——閥桿活塞效應(yīng)所產(chǎn)生的軸向力

——閘板上的壓差所產(chǎn)生的軸向力

式中：

——閥桿直徑

=

式中：

——閥桿有效面積

——管道流體壓力

=

式中：

——閥瓣面積

——閥門最大壓差

——閥門因子，計(jì)算公式如下=us/cosθ±ussinθ，其中us為閘板和閥座之間的摩擦系數(shù)，一般行業(yè)內(nèi)保守取值為0.58，θ為閘板楔角的一半，“+”適用于閥門打開，“-”適用于閥門關(guān)閉。

2.2 計(jì)算電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出能力

在欠壓情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩輸出能力：

式中：

MST——電機(jī)起動(dòng)力矩

OAR——執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體減速比

PE——執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率

AF——應(yīng)用系數(shù)，取0.9

Vmt——電機(jī)端電壓

Vrated——電機(jī)額定電壓

n——交流電機(jī)取2，直流電機(jī)取1

在欠壓情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力輸出能力：

SF為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩與閥桿推力的轉(zhuǎn)化系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：

d——梯形螺紋中徑

——閥桿和閥桿螺母間的摩擦系數(shù)

α——梯形螺紋牙形角的一半，對(duì)于ACME標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋α=14.5°

——螺紋升角，，其中N為螺紋線數(shù)，P為螺紋螺距。

2.3 不確定度的計(jì)算

由于在試驗(yàn)過程中會(huì)存在許多不確定因素，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，所以在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定上也必須考慮不確定度，不確定度包括隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，即：

隨機(jī)誤差主要包括力矩開關(guān)的重復(fù)性誤差、診斷設(shè)備的誤差；系統(tǒng)誤差主要包括潤(rùn)滑脂的降質(zhì)、宣稱的

裕量。

2.4 確定診斷試驗(yàn)的推力/扭矩設(shè)定窗口

確定下窗口：

確定上窗口：

式中：

——閥門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限值

——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限值

據(jù)此，可得出診斷試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示：

3 基準(zhǔn)診斷試驗(yàn)與周期性驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 基準(zhǔn)診斷試驗(yàn)

試驗(yàn)人員根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果對(duì)電動(dòng)閥的力矩開關(guān)和限位開關(guān)的初步調(diào)整，然后利用診斷試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量閥桿上的推力和扭矩，驗(yàn)證和調(diào)整力矩開關(guān)和限位開關(guān)的設(shè)置，最終使閥桿上的推力在試驗(yàn)窗口之內(nèi)。與此同時(shí)，還應(yīng)驗(yàn)證：

3.1.1 用于支持設(shè)定值計(jì)算的假設(shè)是保守的，主要有：（1）測(cè)量的填料摩擦力小于計(jì)算時(shí)的假定值；（2）測(cè)量的閥桿和閥桿螺母間的摩擦系數(shù)小于計(jì)算時(shí)的假定值；（3）測(cè)量的閘板和閥座之間的摩擦系數(shù)小于計(jì)算時(shí)的假定值。

3.1.2 確保沒有重要的或無(wú)法解釋的異常表現(xiàn)。

3.1.3 確保與上次試驗(yàn)相比沒有重要的或無(wú)法解釋的性能變化。通過診斷試驗(yàn)得到的閥桿推力曲線，可以獲得在力矩開關(guān)/限位開關(guān)動(dòng)作時(shí)閥桿上的推力，從而計(jì)算出閥門的實(shí)際裕量：實(shí)際裕量=測(cè)量推力-閥門實(shí)際所需推力閥門實(shí)際所需推力。

3.2 周期性驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)NRC Generic Letter 96-05和三門核電1、2號(hào)機(jī)組最終安全分析報(bào)告的要求，所有安全級(jí)電動(dòng)閥均需要進(jìn)行周期性驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)周期性驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，確定是否需要對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)整和維修，試驗(yàn)的周期跟裕量和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有關(guān)，如表1所示：

通過周期性驗(yàn)證試驗(yàn)，不但能夠驗(yàn)證電動(dòng)閥能夠在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下執(zhí)行其功能，還可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行趨勢(shì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并跟蹤設(shè)備的降質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修，提高設(shè)備的可靠性。跟蹤和趨勢(shì)分析的參數(shù)主要為電動(dòng)閥失效、閥桿潤(rùn)滑降質(zhì)、裕量、閥桿螺母磨損、閘板拔出力、最大落座力、行程時(shí)間等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹了如何確定電動(dòng)閥診斷試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和利用電動(dòng)閥診斷技術(shù)對(duì)電動(dòng)閥進(jìn)行設(shè)置，從而保證其能夠在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下執(zhí)行其功能。利用電動(dòng)閥診斷技術(shù)不但能夠定量地確定設(shè)備的可用性，還能作為狀態(tài)維修的一種工具，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并跟蹤設(shè)備的降質(zhì)，進(jìn)行趨勢(shì)分析和有針對(duì)性的維修活動(dòng)，從而提高設(shè)備的可靠性，值得在其他核電站推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center：Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants-Revision2，2007.

[2] NRC，NRC Generic Letter89-10：Safety-Related Motor-Operated Valve Testing and Surveillance Results of the Public Workshops，June28，1989.

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[4] NRC，Resolution of Generic Safety Issue158：Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions，March 15，2000.

作者簡(jiǎn)介：許龍龍（1988-），男，新疆塔城人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：電動(dòng)閥的調(diào)試與維修。

（責(zé)任編輯：陳 倩）