楊 濤，李青華，簡海林，孫 湞

（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

在流體管道系統(tǒng)中，閥門是一種常見的機(jī)械產(chǎn)品，主要用于隔離設(shè)備和管道系統(tǒng)、防止回流、調(diào)節(jié)壓力和流量，在設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行中起著重要的控制、調(diào)節(jié)作用，且在各系統(tǒng)位置承擔(dān)著重要的安全功能。閥門設(shè)備功能的正常與否、閥門的運(yùn)行狀態(tài)，直接關(guān)系到系統(tǒng)和電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在核電站，閥門基數(shù)大、故障類型多、故障頻次高，還經(jīng)常出現(xiàn)重大閥門缺陷（如閥門無法開啟、閥桿斷裂[1]、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等）導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)、停堆事故發(fā)生，如Davis Bess 電站主給水隔離閥無法開啟導(dǎo)致機(jī)組熱停機(jī)、Sequoyah 電站電動(dòng)閘閥關(guān)閉后無法重新打開導(dǎo)致輔助給水全部流失事件。這些故障的根本原因，往往是因?yàn)殚y門閥桿推力的設(shè)定不正確。因此，閥桿推力的測量和正確設(shè)定，已經(jīng)成為閥門診斷[2-4]、試驗(yàn)和維修的重要手段之一。

現(xiàn)在主要有兩種方法來測量閥桿推力：一是在閥桿上安裝應(yīng)變片[5]，直接測量閥桿的變形而計(jì)算推力；另外一種則是通過安裝便捷式測量裝置，間接測量閥桿的變形和推力?？紤]到核電站特有的輻射、高溫、空間狹小等作業(yè)環(huán)境，應(yīng)變片安裝會帶來人員輻照劑量的增加和可能放射性廢物的產(chǎn)生，因此，一種能準(zhǔn)確測量閥桿推力且具備即裝即用/即拆功能的測量裝置，對工程應(yīng)用則顯得尤為重要。

本文將從閥桿推力測量的重要性、測量原理、試驗(yàn)和工程應(yīng)用等方面，對具備這種功能的C 型推力測量裝置進(jìn)行分析研究。

1 C 型推力測量裝置的設(shè)計(jì)及原理

1.1 推力測量的重要性

在閥門開關(guān)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力傳遞到閥桿，進(jìn)而作用到閥座。閥門的推力正確設(shè)定，是保障閥門密封、閥門動(dòng)作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型和閥門安全的重要內(nèi)容，當(dāng)前越來越多的閥門制造廠、核電機(jī)組會對閥門的推力進(jìn)行測量和趨勢分析。

閥門的推力設(shè)定值，需考慮電機(jī)輸出能力、馬達(dá)降壓運(yùn)轉(zhuǎn)能力、環(huán)境溫度、開關(guān)設(shè)定和測量器具的不確定度等多個(gè)因素，同時(shí)還需要考慮閥門、閥桿和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)力極限。過大的推力設(shè)定會造成閥門設(shè)備或部件損壞，過小的推力設(shè)定會導(dǎo)致閥門無法開啟或密封不嚴(yán)等故障，這些不正確的設(shè)定將會給核電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來隱患，而且部分核電機(jī)組也曾因這些錯(cuò)誤的設(shè)定發(fā)生了事故。

閥桿推力的測量是為了在安全裕度和工作裕度范圍內(nèi)，正確設(shè)定閥門推力值，保障閥門的安全運(yùn)行。

1.2 裝置設(shè)計(jì)原理

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C 型裝置的核心部件由C 型支撐、相關(guān)緊固部件和電阻應(yīng)變計(jì)組成（圖1）。C 型支撐為鈦合金材料，緊固部件為不銹鋼材料，電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在C 型支撐弧形段靠近固定塊段位置，應(yīng)變線纜從固定塊段內(nèi)部引出，電阻應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變線纜均采用軟性材料密封保護(hù)。

圖1 C 型裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

C 型裝置采用鏤空設(shè)計(jì)，在保障裝置剛度的同時(shí)，還可以降低裝置的整體重量、提高測量精確度。安裝時(shí)只需旋轉(zhuǎn)緊固螺栓，即可將C 型裝置安裝在閥桿上。

1.2.2 推力測量原理

C 型測量裝置是基于惠斯通全橋電阻應(yīng)變計(jì)原理工作的：在C 型支應(yīng)變片粘貼段段上、下兩表面安裝4 個(gè)電阻應(yīng)變片，組成全惠斯通電橋，進(jìn)行閥桿徑向變形的間接測量（圖2）。

圖2 電阻應(yīng)變計(jì)安裝

閥桿受到推力時(shí)，會產(chǎn)生徑向變形δD，該變形會使C 型支撐兩端A 和B 產(chǎn)生徑向移動(dòng)（圖3）。此時(shí)，應(yīng)變片粘貼段的電阻應(yīng)變計(jì)區(qū)域，也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，靠近閥桿和遠(yuǎn)離閥桿的兩側(cè)，會產(chǎn)生方向相反的拉伸和壓縮，此時(shí)4 個(gè)應(yīng)變會產(chǎn)生一定的電阻變化，電橋失去平衡，輸出電壓。

圖3 閥桿變形

根據(jù)虎克定律和泊松比，可計(jì)算閥桿受到的推力值F：

式中 F——閥桿受到的推力，lbf（1 lbf=4.448 222 N）

D——閥桿直徑，in（1 in=25.4 mm）

δD——閥桿徑向變形，μin

E——閥桿材料楊氏模量，lbf/in2

γ——泊松比

u——輸出電壓，μV

U——激勵(lì)電壓，V

ω——C 型裝置靈敏度系數(shù)，（μV/V）/μin

需要說明的是，C 型裝置的靈敏度系數(shù)是在計(jì)量院，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗(yàn)機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)圓桿校準(zhǔn)而得。

1.2.3 測量裝置與直接應(yīng)變片粘貼比較

C 型測量裝置與傳統(tǒng)直接在閥桿粘貼應(yīng)變片相比較，它解決了傳統(tǒng)應(yīng)變片在輻照環(huán)境、狹小空間的作業(yè)難題，同時(shí)也解決了應(yīng)變片與閥桿材料、環(huán)境溫度要求相對應(yīng)的問題（表1）。

表1 C 型測量裝置與粘貼應(yīng)變片的比較

2 試驗(yàn)和應(yīng)用研究

2.1 常見閥桿材料的幾何特性

在工程現(xiàn)場中，常見閥桿材料[6]的幾何特性參數(shù)見表2。

表2 常見閥桿材料的幾何特性參數(shù)

2.2 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證C 型裝置的推力測量能用于工程現(xiàn)場，且精度、重復(fù)度滿足要求，試驗(yàn)[7]選取兩根不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)圓桿（直徑為0.625 in 和1.25 in），對該裝置的測量精度和重復(fù)度進(jìn)行研究。

兩種規(guī)格圓桿的材料為17-4 不銹鋼，該材料是閥桿常用的材料，成分為0Cr17Ni4Cu4Nb。由表2 可知，其楊氏模量為28 800 000 lbf/in2，泊松比為0.291。

試驗(yàn)方法是對標(biāo)準(zhǔn)圓桿進(jìn)行5 級推力載荷遞增試驗(yàn)，記錄C 型裝置測量的推力數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)載荷相比較，計(jì)算該裝置的測量精度和重復(fù)度。

（1）試驗(yàn)1。0.625 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗(yàn)。加載方法：標(biāo)準(zhǔn)推力載荷從0 加至8500 lbf，每次遞增1700 lbf，共進(jìn)行6 次載荷遞增試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 0.625 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）試驗(yàn)2。1.25 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗(yàn)。加載方法：標(biāo)準(zhǔn)推力載荷從0 加至22 500 lbf，每次遞增4500 lbf，共進(jìn)行6 次載荷遞增試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 1.25 in 標(biāo)準(zhǔn)圓桿載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在表3 和表4 中，測量平均載荷是6 次測試的平均值，測量精度誤差τ 和重復(fù)性誤差θ 計(jì)算公式如下：

式中 Fi——測試時(shí)，第i 級加載的標(biāo)準(zhǔn)載荷

Fximax——標(biāo)準(zhǔn)載荷下，6 次重復(fù)測量的最大值

Fximin——標(biāo)準(zhǔn)載荷下，6 次重復(fù)測量的最小值

從表3 和表4 可以看出，在測試數(shù)據(jù)時(shí)穩(wěn)定，C 型裝置沒有太大的測試誤差：對于0.625 in 圓桿，測量誤差小于3.5%，重復(fù)性誤差小于0.77%；對于1.25 in 圓桿，測量誤差小于2.08%，重復(fù)性誤差小于2.76%。誤差滿足工程測量允許的要求。

2.3 工程應(yīng)用研究

基于前述的試驗(yàn)研究，在工程應(yīng)用上選用1 臺電動(dòng)閥、閥桿安裝C 型裝置對閥門進(jìn)行開關(guān)試驗(yàn)。閥門類型為電動(dòng)閘閥，閥桿直徑1 in，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為Limitorque，閥桿材料為17-4 不銹鋼。開關(guān)過程中，C 型裝置測量整個(gè)過程閥桿的推力數(shù)值，閥桿的推力曲線見圖4。

圖4 閥門開關(guān)時(shí)C 型測量裝置采集的閥桿推力曲線

結(jié)合閥門的結(jié)構(gòu)、參數(shù)分析，該推力曲線與閥門動(dòng)作時(shí)的受力情況相吻合，因此，C 型裝置能有效應(yīng)用在工程現(xiàn)場。

3 結(jié)束語

試驗(yàn)測試和工程研究結(jié)果表明，C 型測量裝置適用于對核電站閥門閥桿的推力測量，裝置滿足工程現(xiàn)場的測量精度和重復(fù)度要求，且不受閥桿材料限制，不受環(huán)境溫度影響，不需要使用粘貼劑，能夠做到即裝即用即拆，大大減少了工作人員在輻照環(huán)境的作業(yè)時(shí)間。另外，該推力傳感器不僅適用于核電閥門閥桿的推力測量，還可用于火電、石化、汽車、航空航天等行業(yè)的圓桿構(gòu)件推力、應(yīng)力、應(yīng)變測量。