电动阀诊断技术在核电厂的应用

摘要：福岛核事故发生之后，核电站的安全性再度受到全社会的关注，而电动阀广泛应用于核电厂的专设安全系统中，其可靠性直接关系到系统的安全与否。电动阀诊断技术作为一种新型技术，是提高电动阀可靠性的有效技术手段。文章介绍了如何确定诊断试验的验收标准以及应用该技术正确设置阀门并提高设备的可靠性。

关键词：电动阀；诊断试验；裕量；周期性验证试验；核电厂 文献标识码：A

中图分类号：TH138 文章编号：1009-2374（2015）22-0042-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.021

电动阀广泛应用于核电厂的专设安全系统中，与系统的安全息息相关，电动阀的失效可能会导致严重的核安全事故，美国三哩岛核事故主要原因之一就是电动阀失效，因此在事故后的原因分析和后续行动中，美国核管会对阀门的在事故工况下能否执行其安全功能及阀门的可靠性给予了高度的关注，并发布了一系列的文件，如GL89-10、GL96-05等，其中就要求确保电动阀在设计基准条件下能执行其功能。电动阀诊断技术就由此发展而来，本文主要介绍在核电厂如何应用电动阀诊断技术正确设置阀门和提高设备的可靠性。

1 电动阀诊断技术简介

1.1 电动阀诊断试验的背景

电动阀诊断试验是美国核管会要求运营核电站必须执行的监督项目，其要求包括利用诊断测试系统确认和验证电动阀能够在设计基准工况下执行其功能，建立电动阀初始数据库，在电站运行寿命内对电动阀进行定期验证试验。在三门核电1、2号机组的最终安全分析报告中也对电动阀的诊断试验做了明确要求。

1.2 电动阀诊断试验的原理

电动阀诊断试验是利用安装在阀杆上的应力传感器及安装在执行机构电气回路和控制回路中的辅助测试装置，在阀门开关过程中实时跟踪采集阀杆所受到的轴向推力及扭矩以及电机的工作电流、工作电压、控制回路中控制开关的动作时间等数据，从而获得电动阀的运行性能。

2 确定诊断试验的验收标准

2.1 计算阀门所需推力/扭矩

以楔式闸阀为例：

阀门关闭所需最小推力：F1=

阀门开启所需最小推力：F2=

式中：

——填料摩擦力

——阀杆活塞效应所产生的轴向力

——闸板上的压差所产生的轴向力

式中：

——阀杆直径

=

式中：

——阀杆有效面积

——管道流体压力

=

式中：

——阀瓣面积

——阀门最大压差

——阀门因子，计算公式如下=us/cosθ±ussinθ，其中us为闸板和阀座之间的摩擦系数，一般行业内保守取值为0.58，θ为闸板楔角的一半，“+”适用于阀门打开，“-”适用于阀门关闭。

2.2 计算电动执行机构的输出能力

在欠压情况下，执行机构的扭矩输出能力：

式中：

MST——电机起动力矩

OAR——执行机构总体减速比

PE——执行机构效率

AF——应用系数，取0.9

Vmt——电机端电压

Vrated——电机额定电压

n——交流电机取2，直流电机取1

在欠压情况下，执行机构的推力输出能力：

SF为电动执行机构扭矩与阀杆推力的转化系数，计算公式如下：

式中：

d——梯形螺纹中径

——阀杆和阀杆螺母间的摩擦系数

α——梯形螺纹牙形角的一半，对于ACME标准梯形螺纹α=14.5°

——螺纹升角，，其中N为螺纹线数，P为螺纹螺距。

2.3 不确定度的计算

由于在试验过程中会存在许多不确定因素，会对试验结果产生影响，所以在验收标准的制定上也必须考虑不确定度，不确定度包括随机误差和系统误差，即：

随机误差主要包括力矩开关的重复性误差、诊断设备的误差；系统误差主要包括润滑脂的降质、宣称的

裕量。

2.4 确定诊断试验的推力/扭矩设定窗口

确定下窗口：

确定上窗口：

式中：

——阀门的结构强度限值

——执行机构的结构强度限值

据此，可得出诊断试验的验收标准，如图1所示：

3 基准诊断试验与周期性验证试验

3.1 基准诊断试验

试验人员根据前面的计算结果对电动阀的力矩开关和限位开关的初步调整，然后利用诊断试验设备测量阀杆上的推力和扭矩，验证和调整力矩开关和限位开关的设置，最终使阀杆上的推力在试验窗口之内。与此同时，还应验证：

3.1.1 用于支持设定值计算的假设是保守的，主要有：（1）测量的填料摩擦力小于计算时的假定值；（2）测量的阀杆和阀杆螺母间的摩擦系数小于计算时的假定值；（3）测量的闸板和阀座之间的摩擦系数小于计算时的假定值。

3.1.2 确保没有重要的或无法解释的异常表现。

3.1.3 确保与上次试验相比没有重要的或无法解释的性能变化。通过诊断试验得到的阀杆推力曲线，可以获得在力矩开关/限位开关动作时阀杆上的推力，从而计算出阀门的实际裕量：实际裕量=测量推力-阀门实际所需推力阀门实际所需推力。

3.2 周期性验证试验

根据NRC Generic Letter 96-05和三门核电1、2号机组最终安全分析报告的要求，所有安全级电动阀均需要进行周期性验证试验，根据周期性验证试验的结果，确定是否需要对阀门进行调整和维修，试验的周期跟裕量和风险等级有关，如表1所示：

通过周期性验证试验，不但能够验证电动阀能够在设计基准工况下执行其功能，还可对试验结果进行趋势分析，及时发现并跟踪设备的降质，从而实现状态维修，提高设备的可靠性。跟踪和趋势分析的参数主要为电动阀失效、阀杆润滑降质、裕量、阀杆螺母磨损、闸板拔出力、最大落座力、行程时间等。

4 结语

本文着重介绍了如何确定电动阀诊断试验的验收标准和利用电动阀诊断技术对电动阀进行设置，从而保证其能够在设计基准工况下执行其功能。利用电动阀诊断技术不但能够定量地确定设备的可用性，还能作为状态维修的一种工具，及时发现并跟踪设备的降质，进行趋势分析和有针对性的维修活动，从而提高设备的可靠性，值得在其他核电站推广应用。

参考文献

[1] EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center：Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants-Revision2，2007.

[2] NRC，NRC Generic Letter89-10：Safety-Related Motor-Operated Valve Testing and Surveillance Results of the Public Workshops，June28，1989.

[3] NRC，NRC Generic Letter96-05：Periodic Verification design-basis Capability of Safety-Related Motor-Operated Valve，September18，1996.

[4] NRC，Resolution of Generic Safety Issue158：Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions，March 15，2000.

作者简介：许龙龙（1988-），男，新疆塔城人，三门核电有限公司助理工程师，研究方向：电动阀的调试与维修。

（责任编辑：陈 倩）