基于核电站气动阀诊断检修技术的探讨与应用

黄佳平

(中核检修有限公司,浙江 海盐 314300)

气动阀门在核电站系统中被大量的使用, 作为工艺控制设备, 气动阀的在核电站的运行中起着非常重要的调控作用。气动阀门性能的好坏直接关系到核电站是否能安全有效的运行，是否能正常开展生产作业。为此，核电站每年在停堆换料期间都会执行机组大修，这其中就包含了对各个系统的气动阀检修作业，期望通过正确而有效的预维护和检修,保障阀门的使用性能。核电站在以前对气动阀门检修的策略以“保守为主”，即在气动阀门发生故障前不执行预维护， 是一种被动的维修策略，维修的方式则是解体更换备件等方法，效率低下。目前，随着科学技术的不断提升，能够运用到核电站气动阀诊断检修的软硬件设备日趋成熟，使阀门诊断检修技术在核电站大修期间的气动阀的检修过程中发挥着巨大的作用，特别是能和定位器配套使用的相关诊断设备，使得此项工作化繁为简。

1 气动阀检修现状

1.1 气动阀的原理及结构

核电站的生产作业是由成千上百个控制回路组成的，每一个控制回路都经过设计以保证重要的过程变量如压力、流量、液位、温度等不超过要求的工作范围。每一个回路都会接受并从内部产生扰动[1]，这些干扰会影响系统，因此气动阀作为一种终端控制元件用于调节流体(气体、蒸汽、水或化学混合物等)以补偿负载扰动。驱动控制阀的能量来自于压缩空气的为气动阀，它由阀体、阀内零部件、提供阀门操作驱动力的执行机构、以及阀门附件组成，阀门附件包括定位器、转换器、供气压力调节器、手动操作器、阻尼器或限位开关，其结构示意图如下图1所示：

图1 常见气动阀的执行机构及部分附件图

1.2 气动阀检修的问题

核电站的气动阀存在各个生产系统之中，控制的流体不同，使用的频率相差很大，但有一个共同点，即对出现扰动的情况时能马上消除扰动，将系统的工作状态调整至设定值，因此气动阀的灵敏度必须高、安全性能必须好。为了达到以上目的，核电站在大修期间，会对部分气动阀进行检修，结合近几年的检修工单来看，气动阀容易出现的问题主要是阀门无法落座到位，阀门响应时间滞后，阀门的内漏参数超标，阀杆行程不精确等。尽管通过有策略的更换备件能解决部分问题，但在回装阀门后验证维修效果时出现的新问题却难以判断是什么原因引起，更缺少具体化的数据作为判断依据，尤其是阀内件的运行状态，更是难以掌握，因此，引入阀门维修前后的诊断检修技术十分有必要。

2 气动阀诊断检修技术的介绍

核电站使用的气动阀诊断检修技术主要依靠一套较为成熟的气动阀检修诊断装置，该套装置包含了对应的计算机软硬件、传感器、操作器等，使用时通过传感器或定位器采集阀门的整体运行参数，在专业软件上显示并可实现编辑参数以调整阀门的运行状态，再通过技术人员对设备的调校后采集新数据，并重复试验验证阀门运行效果，最终使其满足相关要求。阀门诊断维修的流程如图2。

为方便理解诊断装置及检修技术在实际过程中的应用，以下将选择常用的一种气动阀诊断工具作介绍。这是一种适合艾默生的FISHER牌定位器一起使用的专用诊断装置，计算机使用windows操作系统，操作软件为Valvelink，采用的数字信号为HART通讯协议。使用时接线如下图3所示，将数据线连接计算机和接线盒的HART数据接口，通过内部线路板连接阀门定位器，同时，通过控制诊断软件采集阀门的行程、阀杆摩擦系数等数据后，调节阀门行程增益等参数，再依靠众多定位器的数据和科学的逻辑运算，可得出准确的诊断结果。

图2 阀门诊断维修的流程

图3 气动阀使用在线诊断工具连接原理图

3 气动阀诊断工具的应用

在检修核电站大气释放阀(以下简称ASDV)时，该阀尺寸大、压力等级高(6in/CL600)，阀门所属系统为主蒸汽系统，而该阀门的作用是作为在汽轮机凝汽器不可用的时候，可用于排放蒸汽，在特殊时候可作为核电站的热陷，由此可见，该类气动阀的检修效果非常重要。因此，对大气释放阀的检修主要按阀门维修前诊断，阀门解体维护，阀门定位器校准，维修后诊断、在线试验等步骤进行。其中，对阀门的诊断工作将贯穿于整个检修过程，并将作为阀门检修成功的主要验证方法，阀门的诊断可按以下方式逐一展开。

3.1 阀门状态的全面扫描

在进行ASDV的解体检修前，先对阀门的弹簧预紧力、阀杆行程、填料状况、阀座状况、阀座关闭力等各项参数做一次全面的诊断，以掌握阀门维修前的运行状况，查看是否有明显的故障表现，为解体检修提供数据支持，其诊断特征图如下图4所示。

在进行阀门诊断后，我们发现从行程压力(Actuator pressure)、阀门行程(Travel)、输入值(Input)、驱动信号(Drive Signal)可以判断阀门在运行过程中的问题。在数据分析栏中，阀门动态误差的平均误差(Avg.Dynamic Error)实际值为5.14%，超过了5%的安全值，说明阀门在走上下行程时有较大的波动，这将影响阀门运行的局部稳定性。

随后观察阀门在进行上下行程时产生的行程压力回程差(上行程-下行程)，除了在全关处差的差值较大外，其余基本稳定在较小值，说明阀门运行过程总体稳定、顺畅。

全面扫描数据分析完成后，对其他参数进行分析，查看是否有问题，这台ASDV在做阶跃响应(Step Response)测试时出现了问题，查看测试响应图5。

图4 检修前阀门诊断扫描结果

图5 维修前阀门阶跃响应测试诊断图

观察上图的数据表发现，阀门在上行程阀位0%、下行程阀位75%、50%、25%处有超调现象(Overshoot)，在测试图上明显能看出(圆圈标记处)实际运行过程中该阀门的行程超调值百分比各为4.85%，6.59%，4.97%，5.62%，均值超过标准值(5%)，虽然在全关处阀位在标准值范围内，但作为蒸汽系统需要精确控制的阀门，超调势必影响阀门行程的准确定位，需修复。

3.2 根据诊断结果的阀门维修调校

基于维修前的诊断结果，在对ASDV做检修前的诊断完成后，结合维修策略，对阀门的调校按阀门本体和执行机构两部分做调校检修作业。

(1)本体检修方面，按照维修策略，对阀门进行填料更换工作，更换法兰垫片，清理修复阀芯阀座组件、清理阀杆阀塞组件、执行阀门密封试验。以上工作可解决阀座关闭力不足、阀杆摩擦力过大引起的动态误差过大现象，同时使阀杆运行顺畅，阀门内漏等参数符合核电站的规程要求。

(2)执行机构检修方面，在阀门离线状态下，对阀门做定位器校验，按照校验单将电流信号发生器连接至接线盒的通讯端口，用电流信号发生器向阀门定位器发送信号，按照阀门标定单依次输入4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20mA、16 mA、12 mA、8 mA、4mA 的电流值，观察阀门上的位置指示是否准确移动到相对应的行程刻度0%、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0%处，结果如表1。因该ASDV阀门的标定精度要求为5%，查下表可知，阀门的行程符合要求。

表1 气动阀执行机构诊断后校验数据表

在完成以上两项调校步骤后，虽然阀门的行程满足了要求，但是在其他方面，如阀杆摩擦力、阀座落座情况、阀门相应仍需通过进一步确认，所以使用诊断工具进行维修后诊断十分必要。

3.3 阀门维修后的诊断调校验证

在对气动阀进行维修调校后，阀门处于最佳的功能性状态，需通过诊断工具对阀门的运行进行测试，参照维修前的诊断模式，扫描阀门的工作情况，具体结果如下图6所示。调校维修后，阀门的动态平均误差已保持在5%以内，符合要求。阀门行程压力、阀门行程及阀门的驱动信号和输入信号的对应关系符合标准，未出现明显波动。

最后，通过阶跃响应(Step Response)测试观测阀门在运行过程中出现的数据是否满足要求。因在维修前进行诊断发现阀门的定位器响应系数为H，增益为8.4，响应速度为4.2时，出现了阀门的超调现象，本次测试将增益值降低为6.0，同时提高响应速度为6.0，如图7，再运行阀门时，发现超调均值已从5%降低到0.2%，满足系统对阀门性能的要求。

使用阀门诊断工具后，在维修阀门的过程中，帮助技术人员掌握阀门的运行参数，及时调整维修校准方向，解决阀门出现的问题，非常快捷、实用。

图6 检修后阀门诊断扫描结果

图7 维修后阀门阶跃响应测试诊断图

4 阀门诊断技术的局限性

阀门诊断技术虽然可以方便的辅助技术人员进行阀门维修，可是由于阀门和定位器的品牌种类不一而同，需要依靠对应的阀门诊断工具来实现诊断，否则所测得的数据将毫无实际意义；阀门诊断工具的开发周期较长，价格昂贵，且需操作者据有一定的技能才能熟练使用。当然，以上的局限性并不妨碍阀门诊断技术成为今后核电站气动阀检修的有效技术手段。

5 结束语

本文探讨了核电站气动阀的维修现状和问题，结合现有的诊断检修技术，采用艾默生公司旗下FINSHER的VALVELINK软件作为诊断工具对核电站的大气压力释放阀ASDV进行测试，解决了阀门超调等故障内容。阀门诊断检修技术是现代阀门检修技术的发展和延伸，它能使阀门的检修时间大幅缩短，检修的结果有所依据，可广泛运用于各个场合的气动阀，值得推广。