安全级电动阀带载诊断试验分析

许龙龙

摘 要

安全級电动阀是一回路压力边界和安全壳隔离系统的重要组成部分，其能否在设计基准工况下可靠运行关系到核电厂的安全与否。本文结合安全级电动阀的技术特点，分析了电动阀传统试验的缺点和空载诊断试验的局限性，针对这些不足和局限提出了带载诊断试验方法，并结合现场实际分析了带载诊断试验的优势和所解决的具体问题。

关键词

安全级电动阀;带载诊断试验;在役试验;阀门系数

中图分类号： TM623                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 73

0 前言

压水堆核电站防止放射性物质外泄有三道安全屏障：燃料包壳、一回路压力边界和安全壳，安全级电动阀是一回路压力边界和安全壳隔离系统的重要组成部分，其能否在基准工况下可靠运行关系到核电厂的安全与否。安全级电动阀有运行环境严酷、失效前不易发现故障/降质等技术特点。

自上世纪八十年代以来，已发生了多起因电动阀失效而造成的事故。这一系列事件促使美国开发阀门诊断技术，来提升电动阀的检测手段，提高其可靠性。

1 电动阀设定和试验方法分析

1.1 电动阀设定方法分析

1.1.1 传统限位设定方法的不足

传统的阀门限位设定方法，只能粗略的设置阀门的限位开关，而对不同规格型号的电动阀来说，阀门口径、阀门行程、执行机构的转速比、各个传动部件间的间隙等参数选型不完全相同，这就很容易造成限位开关设置不当。

1.1.2 传统力矩设定方法的不足

传统的力矩开关设定方法，控制的是执行机构的输出力矩，而阀门所需的是推力，同样的力矩开关设定会由于润滑状况、设备将质等原因导致阀杆推力产生很大变化。

1.2 传统试验方法分析

传统的行程试验，测量的只有阀门的行程时间，没有任何其他的阀门性能，并没有验证限位开关和力矩开关的设置，甚至连阀门是否真的开启/关闭，都不能保证。

1.3 问题分析

国内大多数核电站主要用阀门诊断技术来查找出现过失效/故障的电动阀的故障原因，主要存在以下不足：

（1）没有定量的验收标准。

（2）只做试验，并给出试验结论和推荐性维修意见，试验时不根据验收标准进行设置调整和预防性维修。

（3）无法定量判断阀杆润滑和密封面摩擦系数的变化情况。

（4）没有进行裕量管理和趋势分析。

综上所述，传统的电动阀设定/试验方法以及国内其他核电站开展的诊断试验均存在一定不足，无法定量的证明安全级电动阀能够在设计基准工况下执行其安全功能。需要采用新的诊断试验方法和验收准则。

2 安全级电动阀空载诊断试验的局限性分析

2.1 无法确认阀门系数的保守性并根据实际情况进行调整

阀门系数的选取对最终的验收标准影响很大，只有确保计算时选取的数值是保守的才能最终判定试验结果满足要求，但空载试验无法做到这一点。

2.2 无法预测出阀门在设计基准工况下的行程时间

直流电机的输出转速受负荷的影响很大，导致安全级电动阀在空载时的行程时间比带载时的行程时间短。需要实现不同工况下行程时间的互相转换，才能有效评估在役试验结果。而空载诊断试验只能提供阀门的空载行程时间，也无法预测出阀门在设计基准工况下的行程时间。

2.3 无法发现带载时会出现的特殊问题

由于阀门在带载时，管道中有介质压力和流量，除了一般的受力变化外还会出现其他特殊问题。例如：导轨以及密封面的磨损，负荷加载速率对阀杆推力的影响等，这些特殊问题均会影响阀门的带载性能。

3 带载诊断试验的应用

3.1 验证并调整阀门系数

VF—阀门系数属于变量，设备的老化以及维护保养情况均会使其发生变化[1]。在设计阶段，应保守取值，以使设备在整个寿命周期内均具有执行其安全功能的能力。但倘若在调试及运行期间发现无法将力矩开关和限位开关设定到验收标准范围内，则可以通过诊断试验实际测量，确定目前实际的阀门系数和初始计算时所采用的保守值相差多少，是否可以在计算设定窗口时采用低一些的阀门系数，从而使设定窗口扩大。然后通过后续的定期诊断试验来验证此假设的保守性，并持续监测阀门系数的变化情况，对其进行趋势分析，及时调整诊断试验的验收标准。而阀门系数可以通过带载诊断试验得到：

以正常余热排出系统的阀门RNS-PL-V011，RNS出口母管壳外隔离阀为例：此电动阀为8英寸楔式弹性闸阀，电动执行机构型号为Limitorque SB-1-60，设定值见表1。

从上述计算结果可知，目标窗口只有2541lbs（11302N），将此窗口转化为力矩开关的刻度则为27/16到29/16，只有1/8的调整范围，这么小的窗口在实际设定力矩开关时将几乎不可能设定成功。可在系统调试时对其进行带载诊断试验，测量实际的阀门系数，若实际测得的阀门系数降低到0.4，则设定窗口将会显著扩大到9917lbs（44113N），力矩开关的调整范围将变为1/2。

3.2 测量设计基准工况下的行程时间

若直接在设计基准工况下执行带载诊断试验，则能直接得到阀门在设计基准工况下的行程时间，即使试验工况没有达到设计基准工况，只要压差达到了设计基准工况的1/3以上，也能通过试验结果预测出阀门在设计基准工况下的负荷，从而通过已有的数学模型实现空载行程时间与设计基准工况行程时间的转换，进而有效评估在役试验结果。

3.3 及时发现阀门带载时会出现的特殊问题

在阀门带载时，由于介质压力和流量的作用，会出现一些特殊问题。例如图4所示，管道内有流量时，若阀门制造精度不佳，则闸板会因为流体的作用而发生较大偏转，从而使闸板密封面和阀门密封面间发生刮擦，闸板导轨和导槽间也会发生刮擦，造成阀门运行负荷增加甚至损坏密封面及导轨[1]。若进行了带载诊断试验，就能在诊断曲线中及时发现此问题，从而及时对阀门进行解体维修。

4 结论

通过上述分析，可以得出以下结论：带载诊断试验能够测量实际的阀门系数，并根据实际的阀门系数调整诊断试验的验收标准，能够建立空载行程时间和设计基准工况行程时间的转换关系并及时发现阀门带载时会出现的特殊问题，从而有效弥补空载诊断试验的局限。

参考文献

[1]JOG，“Joint Owners Group （JOG） Motor-Operated Valve Periodic Verification Program Summary，” ，Revision 0.

[2]EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center： Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants， Revision 2.