电磁阀的失效模式及维修策略

蒋道福

（大亚湾核电运营管理有限责任公司生产部，广东 深圳518124）

大亚湾与岭澳核电站系统设备上使用了很多进口电磁阀，目前国内还没有合适的替代品。随着服役时间的延长，这些电磁阀出现了不少的问题。本文对电磁阀的故障现象、工作原理、失效模式及机理进行全面分析，提出了电磁阀的维修策略。

1 统计与分析

1.1 故障现象

大亚湾与岭澳核电站核岛和常规岛的系统上使用了大量进口电磁阀，用得最多的是法国ASCO厂家生产的电磁阀（V301、MT302和MB等）。其中V301、MT302及主蒸汽系统（VVP）上的主蒸汽隔离阀上用的电磁阀故障率较高，出现了漏气、漏油、生锈和卡涩拒动等故障，这些故障可能引起电磁阀密封环或阀芯损坏，严重影响了系统设备的可靠性。

1.2 工作原理

电磁阀是一种在电磁力作用下动作的执行机构，主要由线圈、弹簧、线圈外壳、电磁阀芯、阀座及弹性密封橡胶等部件组成。电磁阀又分为交流电磁阀和直流电磁阀，核电厂使用最多的是直流电磁阀。

电磁阀工作时，给线圈加上额定电压使线圈带电励磁，铁芯将带动阀芯克服弹簧力运行，打开或关闭阀门，控制介质流动。线圈失电时，磁场力消失，阀芯在弹簧力的作用下回座，回到初始状态。有些电磁阀设计为调节控制，失电时将保持原来位置。

电磁阀按工作方式划分为直动阀和先导阀2种类型。直动阀将所有的力都加在阀杆上，移动阀芯与阀座接触；先导阀则是通过内部1个小的气动阀去控制压力较大的活塞或隔膜阀，由活塞或隔膜阀去打开或关闭主阀。

电磁阀按接口数划分为2位、3位及4位电磁阀。大多数电磁阀都使用压缩空气去控制系统流程中压力较大的阀门，另一些电磁阀使用其他介质（如液压油等）去驱动较大的控制设备，如VVP系统主蒸汽隔离阀上的保护电磁阀、汽轮机保护系统（GSE）及汽轮机调节系统（GRE）上的保护电磁阀等。

1.3 受力分析

电磁阀线圈通电以后，将会产生1个磁场。这时阀芯将同时受到磁场力与弹簧力的作用，2个力不平衡，阀芯就会移动。如果线圈失电，则阀芯只受到弹簧力的作用。磁场力与弹簧力相互作用的关系曲线见图1。当电磁阀励磁时，产生的磁场力大于弹簧力，使阀芯快速向阀座移动，直到二者间隙为0，阀芯与阀座完全密封。当阀芯被磁场力驱动使其与阀座间隙为0时，这时的磁场力最大。这时弹簧力也同时作用在阀芯上，与磁场力相反。当磁场力消失后，在弹簧力作用下，阀芯与阀座脱开回到初始位置（100%间隙）［1］。

图1 电磁阀磁场力与弹簧力相互作用的关系曲线Fig.1 Relation curve of solenoid magnetic and spring force interaction

由图1可以看出，活塞在磁场力作用下移动，给弹簧加载。当线圈加上40V电压时，不足以克服弹簧力移动活塞（A点）。当电压提高到80V后，弹簧力与电磁力相等（B点）。如果电压慢慢上升，电磁力将超过弹簧力，阀芯将开始移动，这个电压叫作启动电压。当阀芯移动到图1左端时，阀芯与阀座的间隙减小，且电磁力增加的速度比弹簧力快，导致阀芯加速向阀座移动，直到完全接触为止。根据电磁阀设计参数和系统上的工作压力，其动作所需时间大约为5～500ms。

阀芯与阀座完全接触时，磁场力达到最大值（C点），此时电磁力超过了弹簧力且存在一定的余量。如果电压继续提高到120V，也只是使电磁力的余量更大。当电压慢慢下降时，阀芯没有动作，直到下降到40V（D点）时弹簧力等于电磁力。降低电压允许阀芯开始动作，这个电压叫作返回电压。阀芯移动到图1右端时，阀芯与阀座的间隙增大，磁场力减小，弹簧力余量增大，直到阀芯加速向外移动到顶端（100%间隙）。另一方面，一旦电压降低到返回电压值，电磁阀即将失磁，电磁力将会完全消失。

1.4 失效模式、机理及原因

根据大亚湾与岭澳核电站相关的数据统计，电磁阀各种失效模式、机理及原因的百分比数据见图2。

图2 电磁阀失效模式、机理及原因的统计数据Fig.2 Statistic data of solenoid valve failure mode，mechanism and reason

1.4.1 失效模式

经过统计，电磁阀主要有以下4种失效模式：① 泄漏：电磁阀关闭不严，阀芯不能隔离流体介质（气、油、水等）；② 拒动：要求电磁阀动作时，阀门不能正确动作；③ 误动：没有动作信号，电磁阀自动关闭或者打开；④ 动作时间超差：电磁阀全开或者全关过程中，动作时间不满足设计要求。各种失效模式产生的原因及其所占比例见图3。

图3 各种失效产生的原因及比例Fig.3 All failure reasons and percentage

1.4.2 失效机理

由机械物理引起的电磁阀失效机理主要包括：① 工作压差超标：电磁阀在系统上使用时，不满足厂家要求的最大（最小）介质进出口需要的压差设计要求；② 密封环失效：弹性橡胶变硬或者腐烂分解；③ 电气失效：线圈绝缘降级、物理损坏、焊接头不牢固、焊接线错误或者线圈出现开路现象；④ 异物：来自外部无关的物质进入到电磁阀内部，影响电磁阀动作，出现卡涩或密封不严现象；⑤ 润滑失效：使用的润滑剂已经降级或者存在不适当的润滑；⑥ 其他一次失效：仅出现1次的失效；⑦ 不明原因：没有足够的信息证实的失效。

1.4.3 失效原因

电磁阀失效的原因主要包括：① 老化：电磁阀部件出现老化失效；② 过滤器失效：空气太脏，电磁阀使用的过滤器堵塞或者使用了规格尺寸不合适的过滤器及滤网；③ 线圈过热：线圈带电时，电磁阀温度上升引起过热；④ 润滑失效：电磁阀使用的润滑剂出现恶化或进行了不适当的润滑；⑤ 质量失效：在维修、制造、设计（包括电磁阀设计型号变更）中出现失误，引起电磁阀失效；⑥ 其他一次失效：电磁阀仅发生1次失效；⑦ 不明原因：没有找到的电磁阀失效原因。

2 维修策略

2.1 维修周期的制定

2.1.1 影响维修周期的因素

影响电磁阀寿命的因素很多，在制定电磁阀维修周期时主要考虑以下几个影响因素：

（1）介质污染的影响：电磁阀用在高介质污染的系统上时，需要解体阀门进行清洁，可以在每个换料周期进行1次清洗；如果是中等程度污染，则根据运行经验制定维修周期；污染较低时可以不进行清洁。

（2）电气影响：电磁阀励磁会使线圈和密封圈产生热量而降级失效。许多电磁阀有设计寿命，在运行5～10a以后会产生严重降级。如果没有其他数据和经验证明其可靠性完好，在5～10a以后，可以考虑更换。电磁阀的维修周期可以根据周围环境、运行温度条件和橡胶密封圈的型号来进行调整。

（3）介质温度的影响：电磁阀在运行过程中，介质温度高会加速线圈和密封圈的降级，特别是对橡胶密封圈的寿命影响较大。可以根据密封圈材料所承受的温度要求来确定更换的时间，使用耐高温的密封材料可以延长更换时间。

（4）环境温度的影响：环境温度高对电磁阀线圈和密封圈的降级有很大影响。随着温度升高，所使用材料的寿命会逐渐降低。因此，可以根据环境温度、厂家要求的温度限制和运行经验来确定电磁阀的维修周期。环境温度可以分为3类：正常环境温度38℃以下；中等环境温度38～57℃；高温环境温度57～70℃。与正常环境温度相比较，电磁阀在中等环境温度下使用大约要多翻新2～3次，而在高温环境下使用大约要多翻新4次。

（5）阀芯损坏的影响：当电磁阀打开时，介质流动会引起阀芯损坏和腐蚀，介质中存在的污染物对阀门的降级影响更大。与正常关闭的阀门比较，正常打开的阀门受到流动介质的影响更大，所以重新维修的频率更高。正常关闭的阀门也会受到高温、高压介质的影响，当电磁阀周期性动作时，阀芯会产生较大的降级。根据允许泄漏流量的限制，可以要求对阀芯进行定期维修。

（6）阀座损坏的影响：根据不同的设计，阀座定期维修周期的制定主要依靠经验。

（7）老化部件的影响：随着运行时间的增加，电磁阀的个别部件会出现老化现象。对老化部件进行定期更换，使电磁阀得到翻新，可以延长电磁阀的使用寿命。老化部件更换周期主要依靠经验来制定。对电磁阀的结构和原理进行分析后可知，电磁阀的老化部件主要是线圈和密封橡胶。

① 线圈：如果没有持续励磁且环境湿度满足要求，线圈有很长的寿命；如果温度升高和持续励磁，线圈的寿命就会减少。在正常温度范围内持续励磁，保守估计，线圈的使用寿命是4～10a（30 000～60 000h）；温度每升高8～10℃，线圈的使用寿命会成倍降低。如果电磁阀线圈材料满足环境质量鉴定（EQ）程序要求，且经过了EQ鉴定，则与没有被EQ程序控制的电磁阀线圈材料相比，估计其使用寿命应更加保守；

② 密封环橡胶：影响密封环橡胶的因素很复杂，所以估计密封环的寿命相当困难。当线圈励磁时间延长时，电磁阀可能比环境温度高25～50℃；如果运行温度接近电磁阀设计要求的上限值，密封环橡胶则只能使用几年；如果电磁阀在比较好的环境温度下工作，密封环橡胶可能使用5～10a或更长一些。

当电磁阀定期修复或者更换时，可以对密封环橡胶进行检查，看其是否柔软，有无变形、裂纹和压缩等痕迹。这些信息可以作为确定电磁阀翻新和维修周期的参考。

2.1.2 确定维修周期的方法

电磁阀在整个寿期内失效率的变化曲线形如“浴盆”：在寿期的初期较高，中期则相对较低，末期又快速上升。对于电磁阀的维修时点，如果选在其寿期的中期，不但浪费资源，而且可能降低其可靠性；如果选在其寿期的末期，电磁阀失效的概率大大增加，可能影响系统的安全。因此，选择电磁阀的维修时点即不能超前，也不能落后，应当适当地保守，选择其寿期中期与末期的临界点较好。

寻找临界点主要采取的5种方法是：① 测量线圈的绝缘电阻；② 测量线圈的启动电压和返回电压；③ 测量线圈温度；④ 测量电磁阀的内部泄漏量；⑤ 电磁阀控制介质的流量试验。

目前，制定电磁阀维修周期通常采用2种方法：① 在电磁阀的寿期接近临界点时，可以进行一些预防性检查，比较当前一些参数与可以接受的初始参数值是否存在微小差别，这些差别可能预示电磁阀的失效率将要快速上升，应立即启动电磁阀的首次维修活动；② 确定1个时间周期（如5a）或者运行时间（如10 000h），到点就对电磁阀进行翻新或更换。确定该时间周期时，必须参考核电厂的运行经验、厂家设计要求和电磁阀实际使用的情况。

2.2 维修方法

2.2.1 常规检查

常规检查是简单的定性检查方法，不需要任何设备工具，一般包括以下检查项：① 电磁阀的外观、电缆和管道系统是否有物理损坏；② 管道的安装及支撑固定是否正确；③ 接线及端子连接是否适当；④ 观察外部泄漏证据，如水、化学沉积物痕迹；⑤ 是否有电气过热气味，如线圈等其他电气部件过热或燃烧时产生的气味；⑥ 是否有电磁阀产生的较大的嗡嗡声；⑦ 阀门泄漏等有无异常声音；⑧ 用手检查排气口是否有泄漏。

2.2.2 核级电磁阀维修

根据阀门的安全分级要求，统计了大亚湾核电站安全相关设备所使用的电磁阀，有EQ质量鉴定要求的电磁阀大约有100多个。从安全要求上考虑，这些电磁阀可能需要进行预防性维修。可以参考法国电力公司（EDF）的以下维修方法：

（1）K1级电磁阀维修方法：该类电磁阀有V301、MB和MT等型号，只允许整体更换，不能更换部件。

（2）非K1级电磁阀维修方法：该类电磁阀有V301、MB、MT和M2T等型号，采取的维修方法主要是更换部件，但如果单独更换电磁阀的密封圈、滑阀或阀门时发生卡涩就要禁止采取这种方法。不同型号电磁阀的维修方法是：①V301型电磁阀：只允许更换带二极管的线圈和壳体（阀）。② MB型电磁阀：只允许更换阀芯组件，如带VAMAC密封圈的弹簧和带二极管的线圈。③ MT和M2T型电磁阀：发生故障时，应更换全套滑阀。

2.2.3 常规电磁阀的维修

常规电磁阀有3种维修方法：① 定期检查线圈电阻；② 定期更换密封环；③ 整体定期更换电磁阀。

对于所执行的功能不是很重要的常规电磁阀，没有必要制定维修大纲，可以进行纠正性维修，以节约维修成本。

2.3 维修大纲的制定和完善

在大亚湾与岭澳核电站，根据日常出现的电磁阀故障现象、频率以及外部事件反馈，制定了重要及使用环境恶劣的电磁阀的维修大纲。根据维修大纲的技术要求，维修方法主要是定期更换，其次是解体检查及更换密封环。电磁阀最短的维修周期为3个换料周期，最长的维修周期为15个换料周期。

维修大纲规定，大亚湾与岭澳核电站的核岛及常规岛中重要的电磁阀都必须作定期试验，以验证电磁阀在系统上的动作是否正常，确保在事故情况下电磁阀能够可靠地动作，从而保护系统的安全。

目前维修大纲基本能保证电磁阀正常工作，在使用过程中根据现场出现的新情况还在不断优化完善。

3 结束语

目前，国内外对于电磁阀缺少系统的维修方法，法国的核电厂没有采用定期更换电磁阀的维修策略，纠正性维修仍是电磁阀维修的主流方法。电磁阀价格较贵，合理使用才能延长其使用寿命。改进电磁阀线圈的级别和密封材料，可以提高其使用寿命，例如密封材料使用氟橡胶（使用温度范围－20～250℃）耐高温材料比使用丁腈橡胶（使用温度范围－25～100℃）材料好；使用H级（最高温度180℃）的线圈比使用B级（最高温度130℃）的线圈好。提高电磁阀的质量及性能，既可以降低故障率，也可以节约维修成本。大亚湾与岭澳核电站电磁阀的维修策略对相关核电厂电磁阀的维修具有一定的参考价值。

［1］ EPRI 1007915 NP－7414 电磁阀维修导则［S］.