AP1000三门核电站电动阀诊断方法介绍

韩 杰

（三门核电有限公司，浙江台州317112）

0 引言

1980年以来，在核电厂安全运行报告中出现了相当数量的有关电动阀门可靠性和安全性的事件报告。三哩岛核事故后，美国电力研究院在杜克能源公司设立了一个研究项目，最早使用应变片来测量阀门的执行情况，检测结果表明，大约3/7的阀门在模拟测试时被发现不能够关死。1985年，美国核管会连续发布了85-03号、89-10号、96-05号公报，要求核电厂建立或修改程序，定期确认核安全相关阀门在正常工况和异常工况下都能够实现所需的安全功能。

AP1000的核岛系统由美国西屋电气公司设计，在设计、制造、调试和运行等方方面面都引入了美国核电标准，为遵循美国核管会的法规要求，在调试和运行期间，核安全相关的电动阀需要进行诊断测试以确认其能实现所需的安全功能。

1 电动阀设定值计算

电动阀设定值的计算，主要是计算关阀所需最小推力和开阀需要的最小拔出力，一方面用于评估电动头的输出扭矩是否能满足阀门运行操作要求，另一方面用于确定扭矩开关的设定值。这也是电动阀门诊断工作中最关注的参数之一，它直接关系到阀门的密封性能。

三门核电站列入诊断范围内的电动阀主要为电动闸阀和截止阀，下面仅对这两种类型阀门的最小推力和最小拔出力的计算进行介绍。

1.1 电动闸阀阀杆推力计算

电动闸阀开关动作时的阀杆推力应能克服各方面的阻力并使阀门达到密封，它需要考虑闸板重量、填料摩擦力、流体的差压及负压作用力、闸板克服阻力与密封面接触后形成的密封比压等等，计算中涉及很多摩擦系数及阀瓣楔角等参数，从工程应用角度来看，一般计算时使用如下简化公式：

（1）FPACK为填料摩擦力（单位为N）。在实际应用过程中，填料摩擦力可以从阀门厂家或填料厂家得来，也可以进行理论计算。但理论计算比较复杂，同时填料摩擦力与填料的新旧程度、干湿程度、安装情况及系统运行情况有关，计算存在一定的偏差。表1提供了填料摩擦力试验数值，在计算阀门推力时可按照阀杆直径选择相应摩擦力，在后续阀门诊断过程中对填料摩擦力进行实际测量后，将实测值带入公式中进行修正。

（2）FP为阀杆活塞效应所产生的轴向力（单位为N）。计算公式如下：

阀门关闭时：

表1 填料摩擦力试验数据

阀门打开时：

式中，P为阀腔内的压力，通常可以直接取阀门上游压力；Astem为填料处的阀杆横截面积；Dstem为填料处阀杆直径。

（3）FDP为闸板上的差压所产生的轴向力（单位为N）。计算公式如下：

式中，f为阀门因子；A0为阀瓣有效面积；ΔP为闸板上的差压。

阀门因子的计算公式如下：

式中，uS为闸板和阀座之间的摩擦系数，闸板和阀座上一般都镀有stellite合金，摩擦系数在0.35～0.5之间，一般取0.4；θ为闸板楔角的一半；“+”适用于阀门打开，“-”适用于阀门关闭。

1.2 电动截止阀阀杆推力计算

电动截止阀阀杆推力计算使用如下简化计算公式：

阀门打开时的阀杆推力：

阀门关闭时的阀杆推力：

（1）FPACK为填料摩擦力（单位为N），选取方法同电动闸阀。

（2）FP为阀杆活塞效应所产生的轴向力（单位为N），计算方法同电动闸阀。

（3）FDP为阀瓣上的差压所产生的轴向力（单位为N）。计算方法如下：

对于平衡阀瓣来说，阀瓣上的差压影响很小，可以认为FDP=0。

对于不平衡阀瓣，计算公式如下：

式中，ΔP为阀瓣上的差压；A0为阀瓣承压面积；Dseat为阀座直径。

（4）FDF为阀瓣导向面摩擦力（单位为N）。计算方法如下：

对于不平衡阀瓣，FDF=0。

对于平衡阀瓣计算公式如下：

对于通过阀瓣的流体流向为流开型时：

对于通过阀瓣的流体流向为流关型时：

式中，ΔP为阀瓣上的差压；Dguide为阀瓣导向直径。

（5）FS为阀座密封力（单位为N）。仅阀门关闭时考虑密封力，计算公式如下：

式中，Sseat为必须密封比压，与阀门压力等级、密封面宽度有关，可由阀门厂家提供，一般可近似按表2选取；Aseat为阀瓣与阀座接触面积，对于线密封阀门，密封面宽度可近似取为1.59 mm（1/16 in）；θ为密封角；μS为阀瓣与阀座摩擦系数，在0.35～0.5之间，一般取0.4。

表2 金属对金属密封面所需密封比压

（6）TRF为扭矩作用因子（无量纲）。计算公式如下：

式中，μt为阀瓣与阀座或阀瓣导向面摩擦系数，在0.35～0.5之间，一般取0.4；rt为扭矩作用半径，对无导向阀瓣取阀座半径，对导向阀瓣取导向半径；FS为阀杆因子（单位为m），计算公式见1.3。

1.3 阀杆因子FS的计算

阀杆因子是在阀杆螺母上，电动头的扭矩与阀杆推力的转化系数，单位为m。一般电动头厂家给出的都是电动头的输出扭矩，需要将其转化成阀杆推力以与计算值进行比较。阀杆螺母螺纹一般都为梯形螺纹，阀杆因子的计算公式如下：

（1）d为梯形螺纹中径（单位为m）。对于公制或ACME标准梯形螺纹，d=Dstem-0.5P，其中P为螺距。

（2）α为梯形螺纹牙形角的一半（单位为°）。对于公制梯形螺纹，α=15°；对于ACME标准梯形螺纹，α=14.5°。

（4）μ为阀杆和阀杆螺母之间的摩擦系数（无量纲）。润滑良好的情况下，一般取为0.15。

1.4 阀杆推力上限值的考虑

在现场实际诊断过程中，发现的问题一般都是阀门所配电动头的输出扭矩小于阀门关闭所需扭矩，或扭矩开关的设定值偏低。对于前面这种问题需要更换电动头，对于后面一种问题需要将扭矩开关的设置值调高一点。但电动阀关闭时的密封力并不是越大越好，如果密封力过大，会存在阀门打不开的危险，也可能会对阀门结构造成损坏。

因此，阀门扭矩开关动作点的阀杆推力存在一个上限值。首先，关闭时扭矩开关动作点的上限应小于电厂供电电压降至80%时电机所能提供的最大扭矩。因为在紧急情况下电厂供电系统有可能只能提供80%的额定电压，如果扭矩开关动作点值设置过大，则扭矩开关无法动作，电机电源无法切断，对阀门会造成损害。其次，扭矩开关动作点的上限应小于阀门最薄弱部件的结构限值，否则会损坏阀门，这些薄弱部件主要有电动执行机构的机械结构、阀杆、阀瓣、阀座等。最后，还要对上述两项的最小值进行向下的不确定度修正，才能得到扭矩开关动作时所需阀杆推力的上限值，以起到对阀门各部件的保护作用。

1.5 阀杆推力计算值的修正

在实际测量中，由于存在许多不确定因素，它们都会影响所测的阀杆推力，因此需要对阀杆推力计算值进行修正。主要不确定因素有：

（1）负载误差，一般取10%；

（2）阀杆的润滑降质误差，一般取5%；

（3）扭矩开关的弹簧松弛误差，一般取5%；

（4）扭矩开关的重复性误差，一般取5%；

（5）扭矩传感器的精度误差，由传感器厂家提供。

因此，综合考虑计算上述不确定因素后，根据其对测试影响的权值轻重，将前三方面的误差直接相加，对后两方面的误差取其均方根，得到不确定度修正值，再对计算所得的推力值向上进行不确定度修正，才能得到扭矩开关动作时所需阀杆推力的下限值。

测量所得的关闭行程中扭矩开关动作时的阀杆推力要在上、下限之间，才算设定得比较合格。

综上所述，虽然电动阀的诊断是在静态工况下进行的，所测得的阀杆推力与阀门实际工况有一定的差别，但引入误差修正因数后，扭矩开关动作点的设定值要大于阀杆推力的计算值，这样阀门不但能克服流体的扰动，而且有充足的裕量来克服实际工况中各不确定因素的影响。

2 电动阀诊断工具

三门核电站电动阀诊断设备为Crane公司的VOTES Infinity，接收的信号有以下几种：

（1）扭矩/推力：通过安装在阀杆上的QSS（贴片式应力传感器）或C-CLAMP（钳形应力传感器）测量。现场测量过程中经常会遇到阀门不能在安装扭矩/推力传感器时走完全行程，尤其是C-CLAMP传感器。由于电动阀的关阀推力和开阀拔出力峰值通常出现在阀门位于关闭的位置，出现前述情况时，通常使阀门运动到接近关闭位置，然后安装应力传感器，接着使阀门关闭和开启部分行程，这样可以测得关注的阀杆推力。注意在部分开阀过程中，一定要控制好阀门的停止按钮或端子，防止应力传感器被碰坏。

（2）电压：通过串入电机三相电缆线的电压传感器测得。

（3）电流：通过夹在电机三相电缆线上的钳形表，测量电机电流。

（4）通断量：如力矩开关、限位开关以及力矩开关旁路的通断，通过串入各开关量的端子上的传感器来测量。不同的开关量在软件中显示的跳变电压值不同，可以很容易地在时间轴上确定各开关量的动作时间。

（5）阀门位移：通过安装在阀杆上的位移传感器来测量。现场测量过程中经常会遇到阀门不能在安装位移传感器时走完全行程，所以位移传感器实际使用中应用范围有限。

3 电动阀诊断数据分析

如果排除掉测试产生的误差，采集的各参数的实时曲线应能比较客观地反映阀门的工作性能。通过各特征点的选取比照及对各曲线的综合分析，对阀门的性能进行诊断。

通过对采集曲线的细致分析，可获得阀门如下的性能参数：

（1）关阀时扭矩开关动作时阀杆推力；

（2）关阀时阀门关闭后的最终落座力；

（3）开阀时闸板拔出力；

（4）平均摩擦力；

（5）行程时间；

（6）开行程中开力矩旁路开关（bypass）动作时间；

（7）峰值冲击电流/功率；

（8）运行电流/功率；

（9）峰值关阀电流/功率。

在分析过程中，对应力曲线的分析较为复杂，从中获取的信息也最多最重要。在实际测试过程中，所采集的曲线往往不会特别规则，这就需要根据阀门运动的实际过程，参考阀门运动全过程中阀杆的理想受力曲线进行比对，分析不同时段的阀门实际动作情况，根据电机电流、功率情况，选取出特征点，对阀门的性能进行分析。

需要注意的是，分析应力曲线时，无论是关阀还是开阀，阀杆推力都只应在靠近阀门关闭位置出现大的变化，一般在阀门关闭位置10%的行程以内。如果在10%的行程以外应力出现波动，都应该结合应力趋势、电流曲线进行分析，判断阀门内部是否出现卡涩、磨损等。

4 结语

三门核电站作为三代核电AP1000全球首堆示范工程，在电站的各个方面引入了美国核电站先进的管理体系和标准。与国内其他核电站的电动阀诊断模式有所不同，三门核电站参考美国核电站成立了电动阀专项小组，编写了管理程序《电动阀管理大纲》，系统地规定了电动阀的诊断范围、设计基础数据审查、设定值计算、诊断过程、诊断数据分析、趋势分析和大纲优化等各个环节，并对各部门的职责进行了详细规定，使电动阀的诊断工作能长期有效进行。本文对三门核电站电动阀诊断方法进行了介绍，对后续其他AP1000机组电动阀的诊断工作具有一定的借鉴意义。