許龍龍

摘 要

安全級(jí)電動(dòng)閥是一回路壓力邊界和安全殼隔離系統(tǒng)的重要組成部分，其能否在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下可靠運(yùn)行關(guān)系到核電廠的安全與否。本文結(jié)合安全級(jí)電動(dòng)閥的技術(shù)特點(diǎn)，分析了電動(dòng)閥傳統(tǒng)試驗(yàn)的缺點(diǎn)和空載診斷試驗(yàn)的局限性，針對(duì)這些不足和局限提出了帶載診斷試驗(yàn)方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析了帶載診斷試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和所解決的具體問(wèn)題。

關(guān)鍵詞

安全級(jí)電動(dòng)閥;帶載診斷試驗(yàn);在役試驗(yàn);閥門(mén)系數(shù)

中圖分類號(hào)： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 73

0 前言

壓水堆核電站防止放射性物質(zhì)外泄有三道安全屏障：燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼，安全級(jí)電動(dòng)閥是一回路壓力邊界和安全殼隔離系統(tǒng)的重要組成部分，其能否在基準(zhǔn)工況下可靠運(yùn)行關(guān)系到核電廠的安全與否。安全級(jí)電動(dòng)閥有運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)酷、失效前不易發(fā)現(xiàn)故障/降質(zhì)等技術(shù)特點(diǎn)。

自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，已發(fā)生了多起因電動(dòng)閥失效而造成的事故。這一系列事件促使美國(guó)開(kāi)發(fā)閥門(mén)診斷技術(shù)，來(lái)提升電動(dòng)閥的檢測(cè)手段，提高其可靠性。

1 電動(dòng)閥設(shè)定和試驗(yàn)方法分析

1.1 電動(dòng)閥設(shè)定方法分析

1.1.1 傳統(tǒng)限位設(shè)定方法的不足

傳統(tǒng)的閥門(mén)限位設(shè)定方法，只能粗略的設(shè)置閥門(mén)的限位開(kāi)關(guān)，而對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的電動(dòng)閥來(lái)說(shuō)，閥門(mén)口徑、閥門(mén)行程、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速比、各個(gè)傳動(dòng)部件間的間隙等參數(shù)選型不完全相同，這就很容易造成限位開(kāi)關(guān)設(shè)置不當(dāng)。

1.1.2 傳統(tǒng)力矩設(shè)定方法的不足

傳統(tǒng)的力矩開(kāi)關(guān)設(shè)定方法，控制的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩，而閥門(mén)所需的是推力，同樣的力矩開(kāi)關(guān)設(shè)定會(huì)由于潤(rùn)滑狀況、設(shè)備將質(zhì)等原因?qū)е麻y桿推力產(chǎn)生很大變化。

1.2 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法分析

傳統(tǒng)的行程試驗(yàn)，測(cè)量的只有閥門(mén)的行程時(shí)間，沒(méi)有任何其他的閥門(mén)性能，并沒(méi)有驗(yàn)證限位開(kāi)關(guān)和力矩開(kāi)關(guān)的設(shè)置，甚至連閥門(mén)是否真的開(kāi)啟/關(guān)閉，都不能保證。

1.3 問(wèn)題分析

國(guó)內(nèi)大多數(shù)核電站主要用閥門(mén)診斷技術(shù)來(lái)查找出現(xiàn)過(guò)失效/故障的電動(dòng)閥的故障原因，主要存在以下不足：

（1）沒(méi)有定量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（2）只做試驗(yàn)，并給出試驗(yàn)結(jié)論和推薦性維修意見(jiàn)，試驗(yàn)時(shí)不根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置調(diào)整和預(yù)防性維修。

（3）無(wú)法定量判斷閥桿潤(rùn)滑和密封面摩擦系數(shù)的變化情況。

（4）沒(méi)有進(jìn)行裕量管理和趨勢(shì)分析。

綜上所述，傳統(tǒng)的電動(dòng)閥設(shè)定/試驗(yàn)方法以及國(guó)內(nèi)其他核電站開(kāi)展的診斷試驗(yàn)均存在一定不足，無(wú)法定量的證明安全級(jí)電動(dòng)閥能夠在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下執(zhí)行其安全功能。需要采用新的診斷試驗(yàn)方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則。

2 安全級(jí)電動(dòng)閥空載診斷試驗(yàn)的局限性分析

2.1 無(wú)法確認(rèn)閥門(mén)系數(shù)的保守性并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整

閥門(mén)系數(shù)的選取對(duì)最終的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)影響很大，只有確保計(jì)算時(shí)選取的數(shù)值是保守的才能最終判定試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，但空載試驗(yàn)無(wú)法做到這一點(diǎn)。

2.2 無(wú)法預(yù)測(cè)出閥門(mén)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的行程時(shí)間

直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速受負(fù)荷的影響很大，導(dǎo)致安全級(jí)電動(dòng)閥在空載時(shí)的行程時(shí)間比帶載時(shí)的行程時(shí)間短。需要實(shí)現(xiàn)不同工況下行程時(shí)間的互相轉(zhuǎn)換，才能有效評(píng)估在役試驗(yàn)結(jié)果。而空載診斷試驗(yàn)只能提供閥門(mén)的空載行程時(shí)間，也無(wú)法預(yù)測(cè)出閥門(mén)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的行程時(shí)間。

2.3 無(wú)法發(fā)現(xiàn)帶載時(shí)會(huì)出現(xiàn)的特殊問(wèn)題

由于閥門(mén)在帶載時(shí)，管道中有介質(zhì)壓力和流量，除了一般的受力變化外還會(huì)出現(xiàn)其他特殊問(wèn)題。例如：導(dǎo)軌以及密封面的磨損，負(fù)荷加載速率對(duì)閥桿推力的影響等，這些特殊問(wèn)題均會(huì)影響閥門(mén)的帶載性能。

3 帶載診斷試驗(yàn)的應(yīng)用

3.1 驗(yàn)證并調(diào)整閥門(mén)系數(shù)

VF—閥門(mén)系數(shù)屬于變量，設(shè)備的老化以及維護(hù)保養(yǎng)情況均會(huì)使其發(fā)生變化[1]。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)保守取值，以使設(shè)備在整個(gè)壽命周期內(nèi)均具有執(zhí)行其安全功能的能力。但倘若在調(diào)試及運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)無(wú)法將力矩開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)設(shè)定到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則可以通過(guò)診斷試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量，確定目前實(shí)際的閥門(mén)系數(shù)和初始計(jì)算時(shí)所采用的保守值相差多少，是否可以在計(jì)算設(shè)定窗口時(shí)采用低一些的閥門(mén)系數(shù)，從而使設(shè)定窗口擴(kuò)大。然后通過(guò)后續(xù)的定期診斷試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此假設(shè)的保守性，并持續(xù)監(jiān)測(cè)閥門(mén)系數(shù)的變化情況，對(duì)其進(jìn)行趨勢(shì)分析，及時(shí)調(diào)整診斷試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。而閥門(mén)系數(shù)可以通過(guò)帶載診斷試驗(yàn)得到：

以正常余熱排出系統(tǒng)的閥門(mén)RNS-PL-V011，RNS出口母管殼外隔離閥為例：此電動(dòng)閥為8英寸楔式彈性閘閥，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)為L(zhǎng)imitorque SB-1-60，設(shè)定值見(jiàn)表1。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，目標(biāo)窗口只有2541lbs（11302N），將此窗口轉(zhuǎn)化為力矩開(kāi)關(guān)的刻度則為27/16到29/16，只有1/8的調(diào)整范圍，這么小的窗口在實(shí)際設(shè)定力矩開(kāi)關(guān)時(shí)將幾乎不可能設(shè)定成功?？稍谙到y(tǒng)調(diào)試時(shí)對(duì)其進(jìn)行帶載診斷試驗(yàn)，測(cè)量實(shí)際的閥門(mén)系數(shù)，若實(shí)際測(cè)得的閥門(mén)系數(shù)降低到0.4，則設(shè)定窗口將會(huì)顯著擴(kuò)大到9917lbs（44113N），力矩開(kāi)關(guān)的調(diào)整范圍將變?yōu)?/2。

3.2 測(cè)量設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的行程時(shí)間

若直接在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下執(zhí)行帶載診斷試驗(yàn)，則能直接得到閥門(mén)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的行程時(shí)間，即使試驗(yàn)工況沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況，只要壓差達(dá)到了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況的1/3以上，也能通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)出閥門(mén)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下的負(fù)荷，從而通過(guò)已有的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)空載行程時(shí)間與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況行程時(shí)間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而有效評(píng)估在役試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)帶載時(shí)會(huì)出現(xiàn)的特殊問(wèn)題

在閥門(mén)帶載時(shí)，由于介質(zhì)壓力和流量的作用，會(huì)出現(xiàn)一些特殊問(wèn)題。例如圖4所示，管道內(nèi)有流量時(shí)，若閥門(mén)制造精度不佳，則閘板會(huì)因?yàn)榱黧w的作用而發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，從而使閘板密封面和閥門(mén)密封面間發(fā)生刮擦，閘板導(dǎo)軌和導(dǎo)槽間也會(huì)發(fā)生刮擦，造成閥門(mén)運(yùn)行負(fù)荷增加甚至損壞密封面及導(dǎo)軌[1]。若進(jìn)行了帶載診斷試驗(yàn)，就能在診斷曲線中及時(shí)發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題，從而及時(shí)對(duì)閥門(mén)進(jìn)行解體維修。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可以得出以下結(jié)論：帶載診斷試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)量實(shí)際的閥門(mén)系數(shù)，并根據(jù)實(shí)際的閥門(mén)系數(shù)調(diào)整診斷試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，能夠建立空載行程時(shí)間和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況行程時(shí)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系并及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)帶載時(shí)會(huì)出現(xiàn)的特殊問(wèn)題，從而有效彌補(bǔ)空載診斷試驗(yàn)的局限。

參考文獻(xiàn)

[1]JOG，“Joint Owners Group （JOG） Motor-Operated Valve Periodic Verification Program Summary，” ，Revision 0.

[2]EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center： Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants， Revision 2.