□ 張為榮 □ 馬建光 □ 章 良 □ 陸潤杰

中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司 江蘇蘇州 215000

1 研制背景

隨著核電站隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的國產(chǎn)化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn),驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)鍵元器件的核級提升迫在眉睫,其中以安全相關(guān)電磁閥最為重要。安全相關(guān)電磁閥由電磁閥閥體和線圈組成,電磁閥閥體采用國內(nèi)廠家按照SUN公司孔型定制生產(chǎn)的二位二通和二位三通螺紋插裝閥產(chǎn)品,所配套的線圈也是國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品[1]。

安全相關(guān)電磁閥在驅(qū)動(dòng)裝置的啟閉回路和快關(guān)回路中起控制作用。快關(guān)回路中的安全相關(guān)電磁閥為螺紋插裝式常閉直動(dòng)型二位二通錐閥,在斷電狀態(tài)下,彈簧力將閥芯頂開,閥芯密封錐面與閥座密封錐面形成可靠的密封,實(shí)現(xiàn)雙向隔離。當(dāng)線圈通電時(shí),鐵芯吸合,推動(dòng)閥芯克服彈簧力移動(dòng),閥芯密封錐面和閥座密封錐面分離,形成流道,實(shí)現(xiàn)雙向流通。

安全相關(guān)電磁閥如圖1所示。安全相關(guān)電磁閥盡管已隨驅(qū)動(dòng)裝置通過了整機(jī)核級鑒定,但是自身的技術(shù)性能、運(yùn)行壽命及可靠性還需通過進(jìn)一步的核級鑒定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以30 MPa下的20 000次循環(huán)老化試驗(yàn)最為困難[2]。

▲圖1 安全相關(guān)電磁閥

根據(jù)試驗(yàn)需求,筆者自主研制了一套多通道、多功能的集成式電磁閥綜合性能測試臺[3]。這一測試臺除了可以對安全相關(guān)電磁閥的一些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證外,還可以通過擴(kuò)展?jié)M足其它螺紋插裝電磁閥、壓力開關(guān)、油缸的一些試驗(yàn)要求。

2 電磁閥綜合性能測試臺組成

2.1 氣液系統(tǒng)

電磁閥綜合性能測試臺氣液系統(tǒng)原理如圖2所示。除框架外,電磁閥綜合性能測試臺氣液系統(tǒng)由氣壓模塊、主油路模塊、循環(huán)測試模塊、壓力測試模塊、流量測試模塊等組成。

▲圖2 電磁閥綜合性能測試臺氣液系統(tǒng)原理

在氣液系統(tǒng)中,氣壓儲能元件是一組囊式蓄能器。囊式蓄能器具有質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快、油氣不易混合的優(yōu)點(diǎn)。液壓儲油元件為油箱,動(dòng)力元件為氣液增壓泵,配套氣源處理元件。氣液增壓泵使用壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng),適合在連續(xù)重復(fù)啟停工況下使用,滿足壓力試驗(yàn)的高壓需求,并且在高壓情況下流量比較小,安全風(fēng)險(xiǎn)比較低[4]。

電磁閥綜合性能測試臺的氣壓模塊、主油路模塊、循環(huán)測試模塊、壓力測試模塊、流量測試模塊均采用集成閥組和外接管道形式,具有高集成度、安裝維護(hù)方便的特點(diǎn)。氣壓模塊中設(shè)計(jì)有壓力變送器,對氮?dú)鈮毫M(jìn)行監(jiān)測,并使用安全閥進(jìn)行超壓保護(hù)。主油路模塊也設(shè)計(jì)有壓力變送器,對泵出口油壓進(jìn)行監(jiān)測。使用溢流閥進(jìn)行超壓保護(hù),并設(shè)計(jì)有先導(dǎo)式比例溢流閥,可使電氣控制系統(tǒng)對油壓進(jìn)行精確調(diào)控。流量測試模塊分別使用壓力變送器、流量傳感器測量壓力和流量。循環(huán)測試模塊同樣使用壓力變送器對壓力進(jìn)行監(jiān)測,并使用貼片式溫度傳感器對線圈溫度進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

基于安全相關(guān)電磁閥的試驗(yàn)需求,電氣控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)為工業(yè)平板計(jì)算機(jī),下位機(jī)以高速ARM控制器為核心,上下位機(jī)通過總線進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)響應(yīng)速度快,集成度高,柔性好,可以滿足各項(xiàng)試驗(yàn)的多功能控制需求[5]。

上位機(jī)采用工業(yè)平板計(jì)算機(jī),面板安裝結(jié)構(gòu)緊湊，防護(hù)性好，可靠性高。上位機(jī)軟件采用Labview軟件圖形化編程設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、流量等傳感器圖形化顯示,并實(shí)現(xiàn)每個(gè)電磁閥、氣液泵的單獨(dú)控制,顯示每一路電磁閥開啟和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)具有壽命試驗(yàn)功能,能夠進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)模式工作,可以設(shè)定循環(huán)次數(shù)及間隔周期。

下位機(jī)以STM32F407 ARM處理器為核心,主頻為168 MHz,帶16位外部并行總線、多路串行接口,具有直接內(nèi)存存取功能。采用50 Hz交流220 V供電,具有內(nèi)部直流24 V、150 W開關(guān)電源輸出。模擬信號采用16位AD7606 ADC轉(zhuǎn)換芯片,八路同步采樣,采樣速率為每秒20萬個(gè)采樣點(diǎn)。溫度采集應(yīng)用MAX 31865電阻溫度探測轉(zhuǎn)換器,具有電阻溫度探測故障檢測和輸入電壓保護(hù)功能。采用標(biāo)準(zhǔn)U2機(jī)箱,可實(shí)現(xiàn)面板安裝或機(jī)架安裝,具有結(jié)構(gòu)牢固、防護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)。背板采用插拔端子接口,使用方便靈活。

由于計(jì)算機(jī)和通信均無法滿足實(shí)時(shí)性要求,因此為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性采樣,系統(tǒng)采用自定義通信協(xié)議來合理分配上下位機(jī)功能。下位機(jī)主要執(zhí)行計(jì)時(shí)任務(wù),上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)顯示和操作功能。

2.3 電氣控制策略

根據(jù)試驗(yàn)要求,電氣控制系統(tǒng)采用工業(yè)平板計(jì)算機(jī)和ARM控制器,組成上下位機(jī)結(jié)構(gòu),兼具計(jì)算機(jī)控制的靈活性和數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面操作,包括數(shù)據(jù)顯示、電磁閥操作、參數(shù)設(shè)定等。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)變送器信號處理、數(shù)據(jù)采集、開關(guān)控制、電磁閥驅(qū)動(dòng)、反饋補(bǔ)償控制。由于電磁閥組件響應(yīng)時(shí)間快,要求電氣控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不長于0.1 ms,而計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和串行通信都無法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求,因此實(shí)時(shí)性任務(wù)由下位機(jī)ARM控制器實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)發(fā)送任務(wù)指令,下位機(jī)解析指令并執(zhí)行電磁閥開關(guān)動(dòng)作,同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力。當(dāng)壓力達(dá)到指定值后,表明電磁閥開關(guān)動(dòng)作完成,同時(shí)通過內(nèi)部的高速計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。下位機(jī)執(zhí)行任務(wù)完成后,將測試結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。以上控制策略采用專門設(shè)計(jì)的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可避免計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和通信產(chǎn)生延遲。

電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示,電氣控制策略框圖如圖4所示。

2.4 實(shí)物

電磁閥綜合性能測試臺實(shí)物如圖5所示,操作界面如圖6所示。

▲圖3 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

▲圖4 電氣控制策略框圖

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 絕緣電阻值試驗(yàn)

絕緣電阻值試驗(yàn)中,電磁閥不接通電源,將線圈接線端短路,對線圈施加500 V直流電壓并保持60 s,進(jìn)行多次測量。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為在正常大氣條件下,絕緣電阻值應(yīng)大于100 MΩ,事故條件下,絕緣電阻值應(yīng)大于10 MΩ。

3.2 介電強(qiáng)度試驗(yàn)

介電強(qiáng)度試驗(yàn)在正常大氣條件下進(jìn)行,電磁閥線圈處于冷態(tài)且不通介質(zhì)。試驗(yàn)時(shí),將額定頻率50 Hz正弦波交流電壓施加在電磁閥線圈電路上。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為滿足制造商規(guī)定值。

3.3 動(dòng)作電壓與釋放電壓試驗(yàn)

介質(zhì)溫度保持低于50 ℃,供電電壓從零增大至使電磁閥狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)的電壓值。記錄這一動(dòng)作電壓,繼續(xù)使供電電壓增大至動(dòng)作范圍的上限值。然后立即使供電電壓逐漸減小,減小至使電磁閥返回初始狀態(tài)時(shí)的電壓值。記錄這一釋放電壓,繼續(xù)使供電電壓減小至零。電壓每秒變化速度在任何情況下不應(yīng)小于UN/30,UN為額定供電電壓。直流供電電壓允差為額定值的±10%。

▲圖5 電磁閥綜合性能測試臺實(shí)物▲圖6 電磁閥綜合性能測試臺操作界面

試驗(yàn)在冷態(tài)下連續(xù)三次測量,然后在UN下通電30 min,之后在熱態(tài)下測量。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為滿足制造商的給出值,動(dòng)作電壓小于等于動(dòng)作范圍的下限值,釋放電壓大于等于5%UN。

3.4 響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

對電磁閥通入額定電壓通斷信號,使電磁閥開或閉,由壓力傳感器測量電磁閥出口側(cè)的壓力變化,同時(shí)由快速響應(yīng)時(shí)間測量儀測量從電壓通斷瞬間開始至壓力增大至90%最大值，或壓力減小至10%最大值的間隔時(shí)間,前者為動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間,后者為釋放響應(yīng)時(shí)間,重復(fù)三次,取算術(shù)平均值作為動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間或釋放響應(yīng)時(shí)間。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為響應(yīng)時(shí)間不長于0.5 s。

3.5 泄漏率試驗(yàn)

試驗(yàn)介質(zhì)為68號抗燃液壓油,分別在系統(tǒng)最大工作壓力與最小工作壓力下進(jìn)行。

在電磁閥的出口側(cè)用容積法測量,測量累計(jì)時(shí)間為1 min,記錄泄漏量。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為滿足制造商的給出值,泄漏率不高于0.7 mL/min。

3.6 密封性試驗(yàn)

電磁閥處于開啟狀態(tài),出口側(cè)封閉,入口側(cè)通1.1倍公稱壓力的試驗(yàn)介質(zhì),保持時(shí)間為1 min。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為電磁閥無泄漏現(xiàn)象。

3.7 線圈允許溫度試驗(yàn)

系統(tǒng)工作介質(zhì)溫度低于120 ℃時(shí),電磁閥線圈允許溫度的試驗(yàn)環(huán)境溫度要求為10～40 ℃。

測量冷態(tài)電阻時(shí),電磁閥不通介質(zhì),置于不通風(fēng)的自然環(huán)境保持2 h,試驗(yàn)環(huán)境溫度變化應(yīng)在±2 ℃內(nèi),記錄試驗(yàn)環(huán)境溫度和線圈冷態(tài)電阻。

測量熱態(tài)電阻時(shí),電磁閥以額定電壓連續(xù)通電,直到溫度穩(wěn)定為止。斷開電源,迅速測量電磁閥配套線圈的熱態(tài)電阻,按式(1)計(jì)算溫升。計(jì)算所得線圈溫升加上電磁閥工作環(huán)境溫度范圍上限值,即為線圈的最高溫度。

T=(R2-R1)(234.5+t1)/R1+(t1-t2)

(1)

式中:T為線圈溫升;R1為冷態(tài)電阻;R2為熱態(tài)電阻;t1為冷態(tài)電阻試驗(yàn)環(huán)境溫度;t2為熱態(tài)電阻試驗(yàn)環(huán)境溫度。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為線圈允許溫度不高于表1規(guī)定。

表1 線圈允許溫度 ℃

3.8 額定流量系數(shù)試驗(yàn)

電磁閥按規(guī)定位置安裝,與試驗(yàn)管道相連,管道中心線與電磁閥組件出入口中心線同軸。

試驗(yàn)過程中,介質(zhì)溫度變化在±2 ℃以內(nèi)。電磁閥前后壓差給定不小于35 kPa,且不應(yīng)小于產(chǎn)品規(guī)定的最小工作壓差。

測量時(shí),電磁閥全開,在不小于35 kPa且不小于電磁閥最小工作壓差的三個(gè)壓差下測定電磁閥的流量值,壓差增量大于15 kPa。各測量兩次,對求得的六次流量系數(shù)取算術(shù)平均值,保留三位有效數(shù)字。流量系數(shù)Kv按式(2)計(jì)算。

(2)

式中:Q為實(shí)測介質(zhì)流量;ΔP為安全閥前后壓差;ρ/ρ0為相對密度。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為滿足制造商規(guī)定值。

3.9 工作介質(zhì)壓力試驗(yàn)

在正常大氣條件下,電磁閥施加的介質(zhì)壓力等于1.5倍最大使用壓力,壓力保持時(shí)間為1 h,然后介質(zhì)壓力恢復(fù)至額定值。

試驗(yàn)后測試電磁閥響應(yīng)時(shí)間和泄漏率。

3.10 循環(huán)老化試驗(yàn)

氣動(dòng)泵動(dòng)作至30 MPa,通過囊式蓄能器的循環(huán)蓄能、釋壓,以及電磁閥的通斷電來進(jìn)行循環(huán)老化試驗(yàn),并使用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。電磁閥屬于開關(guān)型,循環(huán)老化試驗(yàn)次數(shù)為20 000次。

試驗(yàn)后測試電磁閥的絕緣電阻值、動(dòng)作電壓、釋放電壓、響應(yīng)時(shí)間和泄漏率。

4 結(jié)束語

通過自主研制的電磁閥綜合性能測試臺對安全相關(guān)電磁閥進(jìn)行試驗(yàn),可以全面、嚴(yán)苛地驗(yàn)證安全相關(guān)電磁閥是否滿足核電工況條件的鑒定要求,從而為核電站隔離閥氣液聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置提供滿足核電要求的電磁閥產(chǎn)品。

經(jīng)過長時(shí)間的不懈努力,歷經(jīng)電磁閥綜合性能測試臺的設(shè)計(jì)、制造、裝配,以及測試程序的功能調(diào)試,完成了安全相關(guān)電磁閥的測試工作,效果良好。