韓 杰

（三門核電有限公司，浙江臺州317112）

0 引言

1980年以來，在核電廠安全運(yùn)行報(bào)告中出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的有關(guān)電動(dòng)閥門可靠性和安全性的事件報(bào)告。三哩島核事故后，美國電力研究院在杜克能源公司設(shè)立了一個(gè)研究項(xiàng)目，最早使用應(yīng)變片來測量閥門的執(zhí)行情況，檢測結(jié)果表明，大約3/7的閥門在模擬測試時(shí)被發(fā)現(xiàn)不能夠關(guān)死。1985年，美國核管會連續(xù)發(fā)布了85-03號、89-10號、96-05號公報(bào)，要求核電廠建立或修改程序，定期確認(rèn)核安全相關(guān)閥門在正常工況和異常工況下都能夠?qū)崿F(xiàn)所需的安全功能。

AP1000的核島系統(tǒng)由美國西屋電氣公司設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行等方方面面都引入了美國核電標(biāo)準(zhǔn)，為遵循美國核管會的法規(guī)要求，在調(diào)試和運(yùn)行期間，核安全相關(guān)的電動(dòng)閥需要進(jìn)行診斷測試以確認(rèn)其能實(shí)現(xiàn)所需的安全功能。

1 電動(dòng)閥設(shè)定值計(jì)算

電動(dòng)閥設(shè)定值的計(jì)算，主要是計(jì)算關(guān)閥所需最小推力和開閥需要的最小拔出力，一方面用于評估電動(dòng)頭的輸出扭矩是否能滿足閥門運(yùn)行操作要求，另一方面用于確定扭矩開關(guān)的設(shè)定值。這也是電動(dòng)閥門診斷工作中最關(guān)注的參數(shù)之一，它直接關(guān)系到閥門的密封性能。

三門核電站列入診斷范圍內(nèi)的電動(dòng)閥主要為電動(dòng)閘閥和截止閥，下面僅對這兩種類型閥門的最小推力和最小拔出力的計(jì)算進(jìn)行介紹。

1.1 電動(dòng)閘閥閥桿推力計(jì)算

電動(dòng)閘閥開關(guān)動(dòng)作時(shí)的閥桿推力應(yīng)能克服各方面的阻力并使閥門達(dá)到密封，它需要考慮閘板重量、填料摩擦力、流體的差壓及負(fù)壓作用力、閘板克服阻力與密封面接觸后形成的密封比壓等等，計(jì)算中涉及很多摩擦系數(shù)及閥瓣楔角等參數(shù)，從工程應(yīng)用角度來看，一般計(jì)算時(shí)使用如下簡化公式：

（1）FPACK為填料摩擦力（單位為N）。在實(shí)際應(yīng)用過程中，填料摩擦力可以從閥門廠家或填料廠家得來，也可以進(jìn)行理論計(jì)算。但理論計(jì)算比較復(fù)雜，同時(shí)填料摩擦力與填料的新舊程度、干濕程度、安裝情況及系統(tǒng)運(yùn)行情況有關(guān)，計(jì)算存在一定的偏差。表1提供了填料摩擦力試驗(yàn)數(shù)值，在計(jì)算閥門推力時(shí)可按照閥桿直徑選擇相應(yīng)摩擦力，在后續(xù)閥門診斷過程中對填料摩擦力進(jìn)行實(shí)際測量后，將實(shí)測值帶入公式中進(jìn)行修正。

（2）FP為閥桿活塞效應(yīng)所產(chǎn)生的軸向力（單位為N）。計(jì)算公式如下：

閥門關(guān)閉時(shí)：

表1 填料摩擦力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

閥門打開時(shí)：

式中，P為閥腔內(nèi)的壓力，通常可以直接取閥門上游壓力；Astem為填料處的閥桿橫截面積；Dstem為填料處閥桿直徑。

（3）FDP為閘板上的差壓所產(chǎn)生的軸向力（單位為N）。計(jì)算公式如下：

式中，f為閥門因子；A0為閥瓣有效面積；ΔP為閘板上的差壓。

閥門因子的計(jì)算公式如下：

式中，uS為閘板和閥座之間的摩擦系數(shù)，閘板和閥座上一般都鍍有stellite合金，摩擦系數(shù)在0.35～0.5之間，一般取0.4；θ為閘板楔角的一半；“+”適用于閥門打開，“-”適用于閥門關(guān)閉。

1.2 電動(dòng)截止閥閥桿推力計(jì)算

電動(dòng)截止閥閥桿推力計(jì)算使用如下簡化計(jì)算公式：

閥門打開時(shí)的閥桿推力：

閥門關(guān)閉時(shí)的閥桿推力：

（1）FPACK為填料摩擦力（單位為N），選取方法同電動(dòng)閘閥。

（2）FP為閥桿活塞效應(yīng)所產(chǎn)生的軸向力（單位為N），計(jì)算方法同電動(dòng)閘閥。

（3）FDP為閥瓣上的差壓所產(chǎn)生的軸向力（單位為N）。計(jì)算方法如下：

對于平衡閥瓣來說，閥瓣上的差壓影響很小，可以認(rèn)為FDP=0。

對于不平衡閥瓣，計(jì)算公式如下：

式中，ΔP為閥瓣上的差壓；A0為閥瓣承壓面積；Dseat為閥座直徑。

（4）FDF為閥瓣導(dǎo)向面摩擦力（單位為N）。計(jì)算方法如下：

對于不平衡閥瓣，F(xiàn)DF=0。

對于平衡閥瓣計(jì)算公式如下：

對于通過閥瓣的流體流向?yàn)榱鏖_型時(shí)：

對于通過閥瓣的流體流向?yàn)榱麝P(guān)型時(shí)：

式中，ΔP為閥瓣上的差壓；Dguide為閥瓣導(dǎo)向直徑。

（5）FS為閥座密封力（單位為N）。僅閥門關(guān)閉時(shí)考慮密封力，計(jì)算公式如下：

式中，Sseat為必須密封比壓，與閥門壓力等級、密封面寬度有關(guān)，可由閥門廠家提供，一般可近似按表2選??；Aseat為閥瓣與閥座接觸面積，對于線密封閥門，密封面寬度可近似取為1.59 mm（1/16 in）；θ為密封角；μS為閥瓣與閥座摩擦系數(shù)，在0.35～0.5之間，一般取0.4。

表2 金屬對金屬密封面所需密封比壓

（6）TRF為扭矩作用因子（無量綱）。計(jì)算公式如下：

式中，μt為閥瓣與閥座或閥瓣導(dǎo)向面摩擦系數(shù)，在0.35～0.5之間，一般取0.4；rt為扭矩作用半徑，對無導(dǎo)向閥瓣取閥座半徑，對導(dǎo)向閥瓣取導(dǎo)向半徑；FS為閥桿因子（單位為m），計(jì)算公式見1.3。

1.3 閥桿因子FS的計(jì)算

閥桿因子是在閥桿螺母上，電動(dòng)頭的扭矩與閥桿推力的轉(zhuǎn)化系數(shù)，單位為m。一般電動(dòng)頭廠家給出的都是電動(dòng)頭的輸出扭矩，需要將其轉(zhuǎn)化成閥桿推力以與計(jì)算值進(jìn)行比較。閥桿螺母螺紋一般都為梯形螺紋，閥桿因子的計(jì)算公式如下：

（1）d為梯形螺紋中徑（單位為m）。對于公制或ACME標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋，d=Dstem-0.5P，其中P為螺距。

（2）α為梯形螺紋牙形角的一半（單位為°）。對于公制梯形螺紋，α=15°；對于ACME標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋，α=14.5°。

（4）μ為閥桿和閥桿螺母之間的摩擦系數(shù)（無量綱）。潤滑良好的情況下，一般取為0.15。

1.4 閥桿推力上限值的考慮

在現(xiàn)場實(shí)際診斷過程中，發(fā)現(xiàn)的問題一般都是閥門所配電動(dòng)頭的輸出扭矩小于閥門關(guān)閉所需扭矩，或扭矩開關(guān)的設(shè)定值偏低。對于前面這種問題需要更換電動(dòng)頭，對于后面一種問題需要將扭矩開關(guān)的設(shè)置值調(diào)高一點(diǎn)。但電動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)的密封力并不是越大越好，如果密封力過大，會存在閥門打不開的危險(xiǎn)，也可能會對閥門結(jié)構(gòu)造成損壞。

因此，閥門扭矩開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)的閥桿推力存在一個(gè)上限值。首先，關(guān)閉時(shí)扭矩開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)的上限應(yīng)小于電廠供電電壓降至80%時(shí)電機(jī)所能提供的最大扭矩。因?yàn)樵诰o急情況下電廠供電系統(tǒng)有可能只能提供80%的額定電壓，如果扭矩開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)值設(shè)置過大，則扭矩開關(guān)無法動(dòng)作，電機(jī)電源無法切斷，對閥門會造成損害。其次，扭矩開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)的上限應(yīng)小于閥門最薄弱部件的結(jié)構(gòu)限值，否則會損壞閥門，這些薄弱部件主要有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、閥桿、閥瓣、閥座等。最后，還要對上述兩項(xiàng)的最小值進(jìn)行向下的不確定度修正，才能得到扭矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)所需閥桿推力的上限值，以起到對閥門各部件的保護(hù)作用。

1.5 閥桿推力計(jì)算值的修正

在實(shí)際測量中，由于存在許多不確定因素，它們都會影響所測的閥桿推力，因此需要對閥桿推力計(jì)算值進(jìn)行修正。主要不確定因素有：

（1）負(fù)載誤差，一般取10%；

（2）閥桿的潤滑降質(zhì)誤差，一般取5%；

（3）扭矩開關(guān)的彈簧松弛誤差，一般取5%；

（4）扭矩開關(guān)的重復(fù)性誤差，一般取5%；

（5）扭矩傳感器的精度誤差，由傳感器廠家提供。

因此，綜合考慮計(jì)算上述不確定因素后，根據(jù)其對測試影響的權(quán)值輕重，將前三方面的誤差直接相加，對后兩方面的誤差取其均方根，得到不確定度修正值，再對計(jì)算所得的推力值向上進(jìn)行不確定度修正，才能得到扭矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)所需閥桿推力的下限值。

測量所得的關(guān)閉行程中扭矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)的閥桿推力要在上、下限之間，才算設(shè)定得比較合格。

綜上所述，雖然電動(dòng)閥的診斷是在靜態(tài)工況下進(jìn)行的，所測得的閥桿推力與閥門實(shí)際工況有一定的差別，但引入誤差修正因數(shù)后，扭矩開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)的設(shè)定值要大于閥桿推力的計(jì)算值，這樣閥門不但能克服流體的擾動(dòng)，而且有充足的裕量來克服實(shí)際工況中各不確定因素的影響。

2 電動(dòng)閥診斷工具

三門核電站電動(dòng)閥診斷設(shè)備為Crane公司的VOTES Infinity，接收的信號有以下幾種：

（1）扭矩/推力：通過安裝在閥桿上的QSS（貼片式應(yīng)力傳感器）或C-CLAMP（鉗形應(yīng)力傳感器）測量?，F(xiàn)場測量過程中經(jīng)常會遇到閥門不能在安裝扭矩/推力傳感器時(shí)走完全行程，尤其是C-CLAMP傳感器。由于電動(dòng)閥的關(guān)閥推力和開閥拔出力峰值通常出現(xiàn)在閥門位于關(guān)閉的位置，出現(xiàn)前述情況時(shí)，通常使閥門運(yùn)動(dòng)到接近關(guān)閉位置，然后安裝應(yīng)力傳感器，接著使閥門關(guān)閉和開啟部分行程，這樣可以測得關(guān)注的閥桿推力。注意在部分開閥過程中，一定要控制好閥門的停止按鈕或端子，防止應(yīng)力傳感器被碰壞。

（2）電壓：通過串入電機(jī)三相電纜線的電壓傳感器測得。

（3）電流：通過夾在電機(jī)三相電纜線上的鉗形表，測量電機(jī)電流。

（4）通斷量：如力矩開關(guān)、限位開關(guān)以及力矩開關(guān)旁路的通斷，通過串入各開關(guān)量的端子上的傳感器來測量。不同的開關(guān)量在軟件中顯示的跳變電壓值不同，可以很容易地在時(shí)間軸上確定各開關(guān)量的動(dòng)作時(shí)間。

（5）閥門位移：通過安裝在閥桿上的位移傳感器來測量?，F(xiàn)場測量過程中經(jīng)常會遇到閥門不能在安裝位移傳感器時(shí)走完全行程，所以位移傳感器實(shí)際使用中應(yīng)用范圍有限。

3 電動(dòng)閥診斷數(shù)據(jù)分析

如果排除掉測試產(chǎn)生的誤差，采集的各參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線應(yīng)能比較客觀地反映閥門的工作性能。通過各特征點(diǎn)的選取比照及對各曲線的綜合分析，對閥門的性能進(jìn)行診斷。

通過對采集曲線的細(xì)致分析，可獲得閥門如下的性能參數(shù)：

（1）關(guān)閥時(shí)扭矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)閥桿推力；

（2）關(guān)閥時(shí)閥門關(guān)閉后的最終落座力；

（3）開閥時(shí)閘板拔出力；

（4）平均摩擦力；

（5）行程時(shí)間；

（6）開行程中開力矩旁路開關(guān)（bypass）動(dòng)作時(shí)間；

（7）峰值沖擊電流/功率；

（8）運(yùn)行電流/功率；

（9）峰值關(guān)閥電流/功率。

在分析過程中，對應(yīng)力曲線的分析較為復(fù)雜，從中獲取的信息也最多最重要。在實(shí)際測試過程中，所采集的曲線往往不會特別規(guī)則，這就需要根據(jù)閥門運(yùn)動(dòng)的實(shí)際過程，參考閥門運(yùn)動(dòng)全過程中閥桿的理想受力曲線進(jìn)行比對，分析不同時(shí)段的閥門實(shí)際動(dòng)作情況，根據(jù)電機(jī)電流、功率情況，選取出特征點(diǎn)，對閥門的性能進(jìn)行分析。

需要注意的是，分析應(yīng)力曲線時(shí)，無論是關(guān)閥還是開閥，閥桿推力都只應(yīng)在靠近閥門關(guān)閉位置出現(xiàn)大的變化，一般在閥門關(guān)閉位置10%的行程以內(nèi)。如果在10%的行程以外應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)，都應(yīng)該結(jié)合應(yīng)力趨勢、電流曲線進(jìn)行分析，判斷閥門內(nèi)部是否出現(xiàn)卡澀、磨損等。

4 結(jié)語

三門核電站作為三代核電AP1000全球首堆示范工程，在電站的各個(gè)方面引入了美國核電站先進(jìn)的管理體系和標(biāo)準(zhǔn)。與國內(nèi)其他核電站的電動(dòng)閥診斷模式有所不同，三門核電站參考美國核電站成立了電動(dòng)閥專項(xiàng)小組，編寫了管理程序《電動(dòng)閥管理大綱》，系統(tǒng)地規(guī)定了電動(dòng)閥的診斷范圍、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)審查、設(shè)定值計(jì)算、診斷過程、診斷數(shù)據(jù)分析、趨勢分析和大綱優(yōu)化等各個(gè)環(huán)節(jié)，并對各部門的職責(zé)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，使電動(dòng)閥的診斷工作能長期有效進(jìn)行。本文對三門核電站電動(dòng)閥診斷方法進(jìn)行了介紹，對后續(xù)其他AP1000機(jī)組電動(dòng)閥的診斷工作具有一定的借鑒意義。