王海寶，薛勝峰，譚旭東，周立平，肖群雄，鄭祥東

（陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500）

0 引言

電廠由于其特殊性，尤其重視運(yùn)行期間的安全性。電廠的儀表及儀控系統(tǒng)構(gòu)成了電廠的“中樞”神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)電廠整體工藝流程正常、高效、安全運(yùn)行起著不可替代的作用，所以電廠對(duì)于儀表設(shè)備的首要條件是設(shè)備的穩(wěn)定性及安全性。目前，廣東某電廠低壓及高壓加熱器系統(tǒng)采用的浮球液位開關(guān)在運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障，該故障可能導(dǎo)致電廠汽輪機(jī)停機(jī)，造成非常嚴(yán)重的后果，迫切需要找到浮球液位開關(guān)的故障原因并給予徹底解決。

1 現(xiàn)狀及影響

廣東某電廠低壓及高壓加熱器系統(tǒng)采用國(guó)外某品牌生產(chǎn)的浮球液位開關(guān)，當(dāng)其長(zhǎng)期工作在溫度226℃、最大工作壓力3MPa的工況下，頻繁出現(xiàn)無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障。經(jīng)統(tǒng)計(jì)每臺(tái)機(jī)組共有44臺(tái)浮球液位開關(guān)，均有出現(xiàn)該故障，說明該類型液位開關(guān)在工況下出現(xiàn)故障屬于共性問題。該系統(tǒng)使用的浮球液位開關(guān)屬于系統(tǒng)監(jiān)控儀表，出現(xiàn)無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障可能會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)的嚴(yán)重后果，必須即刻排除隱患。

圖1 浮球液位開關(guān)測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring principle of float ball level switch

2 浮球液位開關(guān)故障原因分析

2.1 浮球液位開關(guān)測(cè)量原理

浮球液位開關(guān)是基于阿基米德浮力原理工作，裝在測(cè)量點(diǎn)的浮球與測(cè)量液體充分接觸，浮球位置隨測(cè)量液體液位變化而同步變化，同時(shí)浮球帶動(dòng)推動(dòng)連桿剛性連接的磁性軸套位置也作相應(yīng)變化，到達(dá)預(yù)設(shè)定控制點(diǎn)時(shí)，磁性軸套通過磁耦合驅(qū)動(dòng)開關(guān)吸合，開關(guān)處于閉合導(dǎo)通狀態(tài)；測(cè)量液位位置脫離預(yù)設(shè)定控制區(qū)域時(shí)，磁性軸套脫離磁耦合區(qū)域，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)液位點(diǎn)測(cè)量，并輸出開關(guān)信號(hào)。浮球液位開關(guān)是目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的測(cè)量液位儀表之一[1]，浮球液位開關(guān)測(cè)量原理示意圖如圖1所示。

2.2 故障分析

為了尋求電廠現(xiàn)場(chǎng)使用的液位開關(guān)故障原因，采用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來的液位開關(guān)進(jìn)行逐步拆解分析的方法，拆解過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）目前使用浮球液位開關(guān)為一體式結(jié)構(gòu)，該種安裝結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)檢維修過程中有明顯的缺點(diǎn)，一體式結(jié)構(gòu)的液位開關(guān)不方便檢修，發(fā)生故障后，不易進(jìn)行診斷及修復(fù)。安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2）觀察拆解下來的液位開關(guān)浮球推動(dòng)連桿發(fā)現(xiàn)有明顯的彎曲變形，彎曲形變量直接導(dǎo)致浮球與浮筒之間產(chǎn)生卡澀現(xiàn)象，限制了浮球的上下移動(dòng)。浮球推動(dòng)連桿彎曲變形如圖3所示。

圖2 一體型浮球液位開關(guān)Fig.2 Integrated float level switch

圖3 推動(dòng)連桿變形圖Fig.3 Deformation of push rod

3）將液位開關(guān)逐步進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)測(cè)量浮筒內(nèi)部有嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象如圖4所示，目測(cè)浮球與浮筒間隙較小。通過內(nèi)徑卡尺測(cè)量浮筒內(nèi)徑和外徑卡尺測(cè)量浮球外徑尺寸對(duì)比，浮球液位開關(guān)浮筒和浮球間距最大為2mm，浮球與浮筒之間的移動(dòng)間隙過小，有導(dǎo)致浮球卡澀的風(fēng)險(xiǎn)。

4）拆解過程中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)浮球液位開關(guān)中使用的微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)有嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)接觸電阻大于規(guī)格書范圍，存在接觸不良現(xiàn)象。

浮球液位開關(guān)無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障，從浮球液位開關(guān)的工作原理可知，裝在測(cè)量點(diǎn)的浮球與測(cè)量液體充分接觸，浮球位置隨測(cè)量液體液位變化而同步變化，同時(shí)浮球帶動(dòng)推動(dòng)連桿剛性連接的磁性軸套位置也作相應(yīng)變化，到達(dá)預(yù)設(shè)定控制點(diǎn)時(shí)，磁性軸套通過磁耦合驅(qū)動(dòng)開關(guān)吸合，開關(guān)處于閉合導(dǎo)通狀態(tài)；測(cè)量液位位置脫離預(yù)設(shè)定控制區(qū)域時(shí)，磁性軸套脫離磁耦合區(qū)域，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)液位點(diǎn)測(cè)量，并輸出開關(guān)信號(hào)。浮球隨被測(cè)液體液位正常移動(dòng)是必要條件，通過推動(dòng)連桿傳遞位移，通過磁耦合方式閉合或斷開開關(guān)實(shí)現(xiàn)功能輸出。從拆解的浮球液位開關(guān)可以判斷出液位開關(guān)主要的故障原因：

圖4 浮筒內(nèi)壁銹蝕圖Fig.4 Corrosion of inner wall of pontoon

a）浮球與浮筒內(nèi)壁間距最大間隙為2mm，相對(duì)移動(dòng)間隙過小，同時(shí)由于浮筒材質(zhì)不耐腐蝕存在嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象，腐蝕層擠占浮球移動(dòng)間隙，因而存在浮球移動(dòng)空間受阻出現(xiàn)浮球卡澀現(xiàn)象，導(dǎo)致液位開關(guān)浮球無法傳遞出位移動(dòng)作，不能傳遞到開關(guān)從而無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)的觸發(fā)動(dòng)作。

b）浮球推動(dòng)連桿在工況環(huán)境下已經(jīng)出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，彎曲形變量進(jìn)一步導(dǎo)致浮球與浮筒在2mm的移動(dòng)間隙移動(dòng)受阻，因而浮球出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，導(dǎo)致液位開關(guān)浮球無法傳遞出位移動(dòng)作，不能傳遞到開關(guān)從而無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)的觸發(fā)動(dòng)作。

c）由于現(xiàn)使用的表頭中的微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)未做耐高溫氧化處理，在高溫工作條件下微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)有嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，觸點(diǎn)接觸電阻遠(yuǎn)大于規(guī)格書范圍、存在接觸不良現(xiàn)象。

3 解決方案

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)浮球液位開關(guān)的拆解并分析原因，可見目前使用的國(guó)外某品牌浮球液位開關(guān)未充分考慮使用的工況，使得產(chǎn)品在使用過程中故障頻發(fā)，急需進(jìn)行優(yōu)化處理。從液位開關(guān)原理上分析，此原理的浮球液位開關(guān)是可以滿足現(xiàn)場(chǎng)工況下正常使用的，由于設(shè)計(jì)和工藝上沒有充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況使用條件，故造成了故障頻發(fā)。根據(jù)以上原因分析，結(jié)合電廠實(shí)際使用工況條件提出浮球液位開關(guān)的優(yōu)化提升改進(jìn)方案如下：

3.1 增大浮球與浮筒的間距，防止浮球卡澀

圖5 改進(jìn)后的浮球液位開關(guān)圖Fig.5 Improved float level switch diagram

針對(duì)目前使用的浮球液位開關(guān)，浮球與浮筒之間移動(dòng)間隙最大為2mm的情況，經(jīng)分析該間隙對(duì)產(chǎn)品測(cè)量的影響后，對(duì)液位開關(guān)的浮球與浮筒間隙尺寸做了重新優(yōu)化和調(diào)整。調(diào)整后浮筒的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為φ125mm（外徑φ133mm），液位開關(guān)浮球的外徑設(shè)計(jì)為89mm（外形如圖5所示），調(diào)整后浮球與浮筒的移動(dòng)間隙達(dá)到18mm，相比原來2mm的間距大了9倍，有效增加了活動(dòng)部件間的間隙，防止卡澀，同時(shí)不影響液位開關(guān)的正常測(cè)量功能。

3.2 浮球連桿加固

原浮球推動(dòng)連桿為細(xì)長(zhǎng)桿，剛性不足，在工況下已產(chǎn)生變形，重新經(jīng)過力學(xué)計(jì)算對(duì)浮球推動(dòng)連桿進(jìn)行了加粗、加固優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖5所示，滿足工況下剛性足夠防止發(fā)生變形，從而有效解決因浮球推動(dòng)連桿形變導(dǎo)致卡澀現(xiàn)象。

3.3 開關(guān)觸點(diǎn)采用鍍金工藝

液位開關(guān)使用的微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)有嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，主要原因是目前的微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)表面處理工藝不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境要求，需要對(duì)其表面處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過篩選對(duì)比，選擇開關(guān)觸點(diǎn)鍍金工藝最為恰當(dāng)。金作為一種貴金屬，不會(huì)與其他材料發(fā)生反應(yīng)，而且金在大氣環(huán)境中不會(huì)氧化或者變色，在惡劣的環(huán)境下也長(zhǎng)期耐用，通過采用電鍍工藝，非常適合接觸鍍層。鍍金可提高觸點(diǎn)的耐腐蝕性，這就意味著它們更適合用于惡劣的環(huán)境。金觸點(diǎn)的接觸電阻較低，有利于提升開關(guān)電氣性能。根據(jù)使用的工作條件對(duì)微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)采用鍍金工藝[2]，防止因高溫產(chǎn)生氧化，因鹽霧產(chǎn)生腐蝕，滿足開關(guān)在工況環(huán)境下正常觸發(fā)導(dǎo)通。

3.4 優(yōu)化浮筒本體材料

通過拆解可以發(fā)現(xiàn)在工況下，原浮球液位開關(guān)浮筒已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的銹蝕，充分說明原材質(zhì)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)量需求。根據(jù)電廠現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)本體材料進(jìn)行篩選，將原浮筒材質(zhì)替換為316L不銹鋼材料[3]。316L不銹鋼材料因其優(yōu)異的耐腐蝕性、高溫力學(xué)性能、加工性能良好、焊接性能較好等優(yōu)點(diǎn)在多個(gè)行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，可以較好地避免浮筒發(fā)生銹蝕。

圖6 液位開關(guān)安裝圖Fig.6 Installation drawing of liquid level switch

3.5 安裝方式改進(jìn)為法蘭連接

目前使用浮球液位開關(guān)為一體式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不方便檢修，發(fā)生故障后，不易進(jìn)行診斷及修復(fù)。根據(jù)充分調(diào)研目前現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝結(jié)構(gòu)形式，將浮球液位開關(guān)的安裝方式由一體式改進(jìn)為法蘭連接[4]，浮筒部分和浮球測(cè)量部分通過螺栓將法蘭進(jìn)行有效連接。該種連接結(jié)構(gòu)形式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)儀表，不僅可以在高溫、高壓場(chǎng)合使用，而且可以方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆卸維護(hù)。改進(jìn)為法蘭安裝形式后的液位開關(guān)如圖6所示。

4 改進(jìn)效果

低壓及高壓加熱器系統(tǒng)的浮球液位開關(guān)經(jīng)過優(yōu)化浮球與浮筒間間隙、加固推動(dòng)連接桿、采用鍍金工藝觸點(diǎn)、優(yōu)化浮筒本體材質(zhì)等改進(jìn)后，在電廠同樣位號(hào)進(jìn)行替代試運(yùn)行，未發(fā)生無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障現(xiàn)象，改進(jìn)方案達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)核電廠現(xiàn)使用的浮球液位開關(guān)進(jìn)行拆解分析，找到了故障發(fā)生的根本原因。根據(jù)原因分析，針對(duì)性地制定了解決方案并對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)、工藝優(yōu)化改進(jìn)，制作了相應(yīng)樣機(jī)在電廠現(xiàn)場(chǎng)替代試運(yùn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過程中未發(fā)生無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障，原有故障得到根本解決。該性能提升改進(jìn)工作有效地解決了電廠低壓及高壓加熱器系統(tǒng)液位開關(guān)無法正常觸發(fā)或復(fù)位的故障，優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝形式，有效減少了電廠現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)時(shí)間，有利于整個(gè)電廠的安全運(yùn)行，同時(shí)也希望給同類型工況選用浮球液位開關(guān)的電廠單位提供參考建議。