安全注入系统电动头堵转原因分析

任 滈

(中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518124)

核电厂安全注入系统(RIS)的主要功能是在事故工况下为堆芯提供应急冷却，在一回路失水事故下，直接向堆芯注入冷却水淹没堆芯，冷却燃料组件，从而防止燃料包壳熔化，确保堆芯的几何形状和完整性。当中压安注箱、安注罐的水耗尽时，水汇流到地坑被收集，直接注入冷却水转为再循环注入(从地坑吸水)冷却水，此时低压安注泵启动从地坑吸水，安全壳地坑水出口阀RIS051/052 VP打开，将冷却水送到高压安注泵入口，以实现一回路冷却水的持续注入和循环冷却。在直接注入冷却水阶段，安全壳的地坑内无水，RIS051/052 VP先行关闭，保证直接注入阶段的压力，防止泵叶轮气蚀损坏[1]。

RIS051/052 VP也是反应堆安全壳的贯穿件边界，为保证边界的密封性，阀门被罩在一个密封钢筒内，阀门损坏需维修时，拆装密封钢筒的空间狭小，且现场不允许带阀门进行电动头堵转操作，这也制约了故障原因的探寻。本文对多方收集的信息进行分析，故障原因最终得以明确。

1 故障描述

多个核电厂自投产运行以来，在检修和定期试验操作过程中，RIS051/052 VP在关闭时屡次出现电动头关闭力矩开关不动作、电动头堵转、热偶跳闸导致的电动阀不可用故障。

2013年5月12日，A电厂3号机组3RIS051 VP电动头解体检修后调试时，电动头关闭到位后电机出现堵转，上游开关热偶动作。检查故障电动头力矩设置为580 N·m，更换同型号的新电动头后，电动头运转正常；2015年1月5日，该电厂3号机组3RIS051 VP-1电动头力矩设定值从608 N·m调高到700 N·m，电动头关闭到位后再次出现电动头堵转，上游开关热偶动作故障，将电动头力矩设定值降到638 N·m后关阀正常。

2016年8月5日，B电厂1号机组1RIS051 VP电动头关力矩设置值从593 N·m调整到标准力矩设定值662 N·m，电动头关闭后出现电动头堵转，上游开关热偶动作故障，更换新电动头后关阀正常。电流波形对比如图1所示。

2016年5月21日，C电厂4号机组4RIS052 VP电动头关力矩设置值从580 N·m调整到标准力矩设定值662 N·m。8月17日，执行定期试验时电动头关闭后出现电动头堵转，上游开关热偶动作故障，更换新电动头后关阀正常。

2019年7月8日，B电厂5号机组5RIS051 VP电动头关力矩设置值从590 N·m调整到标准力矩设定值662 N·m，执行定期试验时电动头关闭后出现电动头堵转，上游开关热偶动作故障，更换电动头新力矩机构组件后关阀正常。

图1 B电厂电动头堵转电流波形与正常电动头电流波形示意图Fig.1 Actuator stall current and normal actuatorcurrent waveforms of power plant B

2 电动头结构原理

上述核电厂所使用的堵转电动头型号均为BERNARD ST70/23/K3，额定电流为7.2 A，额定力矩700 N·m[2]。现场电动头为侧装，内部结构如图2所示。电动头开阀时，电机驱动齿轮箱内的蜗轮和蜗杆带动传动齿轮，驱动主轴，主轴与阀杆联轴；电动头驱动阀门关闭时，阀门关闭到位保证密封性所需的关闭力矩值达到设定力矩值，主轴受到阀杆的阻力作用，电机驱动传动齿轮带动力矩机构克服力矩弹簧压缩力，使力矩机构内的微动开关动作，电机停电。通过调节力矩机构内的微动开关位置可改变力矩弹簧压缩位移，从而改变电动头力矩设置值。

图2 ST70型电动头结构图Fig.2 Structure of ST70 actuator

3 原因分析

根据现场故障现象，从电动头力矩设置值、电动头出力及力矩机构动作3个方面对故障原因进行分析。

3.1 力矩设置值

如果电动头力矩设置值较大，将导致力矩开关无法动作而使电动头堵转，在检修间对故障电动头力矩设置值进行校验，结果如表1所示。

由表1可知，A、B电厂故障电动头校验力矩设置值均满足标准要求；C电厂故障电动头校验力矩设置值满足标准要求，但10次会偶发2次堵转的情况(详见3.3分析)。

3.2 电动头出力

电动头出力不足将导致达不到力矩设置值而发生堵转。下面从电机、电源回路、机械传动等方面进行分析。

3.2.1 电机

实测3台故障电动头电机三相直流电阻都约为5.2 Ω且三相平衡，电机绝缘电阻均大于100 MΩ，运行电流均为4.1 A左右，小于额定电流(7.2 A)且三相平衡，与更换后同型号无堵转电动头对比，运行电流电压等电机参数正常，未见明显差异。

在检修间对A电厂3RIS051 VP故障电动头进行堵转试验，校验力矩为 971 N·m时电机未堵转；对B电厂1RIS051 VP故障电动头进行堵转试验，校验力矩为1 250 N·m时电动头堵转，堵转电流为37.8 A，与现场录波的堵转电流相同。

表1 电厂故障电动头力矩校验数据

电动头堵转试验表明，电机最大出力可达971～1 250 N·m，完全能满足力矩设定值(700 N·m)的要求。

3.2.2 电源回路

电源开关检查：测量3个上游电源开关的接触器触头电阻均小于1 Ω且触头表面未见打弧痕迹。

电缆检查：A电厂3RIS051 VP 电缆线芯截面积为2.5 mm2；B、C电厂电缆线芯截面积均为6 mm2，A厂电缆线芯截面积小于其他电厂，检查数据见表2。

对A电厂电缆线芯截面积偏小是否会导致电动头堵转进行试验：用三相调压器降低电源电压后，对A电厂3RIS051 VP-1电动头力矩设置值(700 N·m)进行试验，实测现场电气盘柜正常供电为385 V；降低三相电压至280 V以下时，电机出力下降，力矩机构凸轮不能触碰到微动开关，电动头出现堵转，试验数据见表3。

表3 A电厂3RIS051 VP-1电动头电压降低力矩动作试验数据

电源压降公式为：

U电机侧=U盘柜侧-I堵转×R电缆线阻

式中：U电机侧为电机端电压；U盘柜侧为盘柜实测输出电压，385 V；I堵转为现场实测堵转电流，37 A；R电缆线阻为实测电缆两相芯线电阻，2.02 Ω。由此可计算出U电机侧=309 V，与现场堵转时实测电机端电压相符。

通过检修间试验和现场堵转时实测数据可见，现场采用线芯截面积为2.5 mm2的电缆即使出现电动头堵转，使电压降到了309 V，其电动头供电电压也远大于电动头的堵转电压(280 V)，电动头现场供电压降能保证电动头出力及力矩开关可靠动作。

电动头电机为短时工作制，根据电缆设计规范[3]标准，10 kV及以下电力电缆(线芯截面积为2.5 mm2)三芯线允许持续电流载流量为15 A，相对于7.2 A额定电流有充分的设计裕量。

查询A电厂3RIS051 VP电气设计系统手册[4]得知，所选用电机电缆线芯截面积为2.5 mm2，长度为158.7 m，而长200 m的2.5 mm2电缆线芯压降为11 V，压降为2.9%Un(Un为额定电压)，满足民用建筑设计规范标准中“电动机频繁启动时，不低于额定电压的90%，电动机不频繁启动时，不低于额定电压的85%”(即不频繁启动电机压降不大于15%Un)的要求[5]，故电缆长度对电动头堵转无影响，电缆线芯截面积设计选型满足标准。

因为B、C电厂电缆线芯截面积为6 mm2，均大于A电厂的电缆线芯截面积，所以其堵转电动头电缆容量满足设计标准。

3.2.3 机械传动

电动头内部机械传动机构故障卡涩将导致力矩无法传输，电动头堵转。

在检修期间校验力矩，实测力矩输出达到971～1 250 N·m，均超过力矩设置值要求，未出现传动机构卡涩导致电动头力矩输出不足现象；解体故障电动头，检查其齿轮、离合器、电机轴承等传动机构，均未发现磨损、变形、断裂、卡涩等机械故障。这表明机械传动机构正常。

3.3 力矩机构动作

3.3.1 对电动头力矩机构检查

上述试验和检查表明：电动头堵转时实际输出力矩值已达到设置值要求，说明应执行力矩动作的力矩机构存在异常。电动头力矩机构是力矩加载到设置值后力矩凸轮压住微动开关执行力矩动作的机构，如果故障将导致电动头堵转。

在检修间对B电厂1RIS051 VP电动头进行关力矩操作试验(671 N·m)，电动头力矩开、关均可正常动作。模拟现场电动头侧装方式进行力矩动作试验，5次试验中2次出现堵转且堵转力矩超过力矩设置值(671 N·m)。将力矩设置值调回初始的593 N·m后电动头力矩开、关均可正常动作。

对C电厂4RIS052 VP电动头在检修间进行力矩动作试验，力矩初始设置值为580 N·m，10次试验出现2次堵转且堵转时力矩达到580 N·m。模拟现场电动头侧装方式进行力矩动作试验，电动头力矩机构均正常动作。

图3 力矩机构及其短弹簧动作示意图Fig.3 The schematic of torque unitand its short spring action

力矩机构如图3a所示，包括力矩弹簧、力矩凸轮、力矩杆和微动开关。电动头关阀后主轴带动离合器加载力矩时，离合器逆时针转动，力矩杆水平向左移动，通过锁紧背帽带动关力矩凸轮，关力矩凸轮带动力矩弹簧受力压缩向左移动，并触碰断开微动开关，使电动头达到力矩值断电停运，调整微动开关位置可设定电动头关闭力矩值。

在设计上力矩凸轮未直接固定，仅靠力矩弹簧压缩反作用力和力矩杆台阶面背帽之间的相互顶力使之稳固。检查电动头力矩机构发现，力矩机构上的凸轮和力矩杆存在径向间隙，凸轮有一定的转动自由度，如图3(b)所示，凸轮孔径12.3 mm，力矩杆轴径12 mm，有约0.15 mm径向间隙，弹簧变短低于力矩杆台阶面，加载力矩后，力矩机构动作过程中电动头的振动或力矩机构的振动会使固定不稳的凸轮产生转动，当凸轮转动到某个位置时，凸轮无法压到微动开关。

解体力矩机构发现，力矩弹簧长度仅74 mm，不足76 mm，短弹簧使力矩凸轮的高度比力矩杆台阶面低1 mm，如图3(a)所示，紧固背帽时短弹簧不能顶紧力矩凸轮使其超过台阶面，力矩凸轮无法被背帽紧固而松动。当把力矩弹簧更换成长度为76 mm的弹簧后，螺帽依靠力矩弹簧的反作用力可以紧固力矩凸轮，如图3(b)所示。

调高电动头力矩设置值后，力矩凸轮远离微动开关，短弹簧传送力矩能力下降，当大力矩关阀凸轮压缩力矩弹簧时稳固性明显下降，凸轮位移时会发生自由偏转，存在一定的转动自由度，导致其无法压到微动开关，如图3(c)所示。

对各电厂抽查解体12台ST70系列型号电动头，检查力矩机构弹簧，实测力矩弹簧长度在73～76 mm不等。对实测数据整理归类，按73 mm、74 mm、75 mm、76 mm 4种长度分类：

2009—2011年投运的4台电动头力矩弹簧长度实测为73 mm；2011—2012年投运的4台电动头弹簧长度实测为74 mm；2013—2015年投运的2台电动头力矩弹簧长度实测为75 mm；2013年和2016年采购的2台未使用备件电动头力矩弹簧长度实测均为76 mm。

检查结果表明：现场投运的ST70型电动头从2009—2015年随着使用年限的增加，弹簧长度有一定变化。根据通用弹簧特性，弹簧工作在力矩上限值区间内被长期压缩，弹簧自由长度会发生一定变化。

选2个使用过的长度变短的弹簧进行分析，如图4。

S71： B电厂5RIS051 VP堵转故障的力矩弹簧，弹簧长度74.40 mm

S72： 未出现故障的力矩弹簧，弹簧长度74.14 mm

图4 S71，S72弹簧图Fig.4 S71,S72 springs

对弹簧化学成分分析：检测结果如表4，根据DIN EN10132-4的C75S和C85S弹簧钢和国标的80弹簧钢(GB/T 1222—2016弹簧钢)，2个弹簧都满足C75S但C含量超标，相对于C85S，Mn含量超标，2个弹簧均满足国际标准80弹簧钢的成分要求。Mn是对弹簧钢而言是强化元素。

表4 弹簧的化学成分检测结果

弹簧的微观组织，如图5所示，2个弹簧均为细小的珠光体，珠光体沿着塑性加工方向呈纤维状组织，S72的纤维特征最明显。如表5所示，S71的硬度低约为44.3 HRC；S72硬度高，约为46.2 HRC。 结合组织分析，S72与S71的硬度差可能是冷拉变形稍小或退火温度稍高所致，结合成分可知，S71的硬度比S72稍低的原因是Mn的含量较低。

表5 弹簧的维氏硬度以及转换的洛式硬度

图5 样品的纵向微观组织图(100x，200x，500x，1000x)Fig.5 Longitudinal microstructure ofthe sample(100x,200x,500x,1000x)

综合分析：弹簧长期处于压缩，弹簧的变形时属于蠕变失效，蠕变和应力松弛是静载弹簧常见的失效模式。

蠕变是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间的延长而增加的现象，对应失效的弹簧，即是由于弹簧长期处于压缩状态，发生塑性变形(缩短)，具体的机理为在应力(以及温度)的作用下，通过位错运动使弹性变形逐步变成微塑性变形，当微塑性变形积累到一定程度时，就变成宏观可见的残留变形。

从组织和硬度分析可知，S71弹簧组织的纤维特征较S72弱，硬度也相应的低于S72，这应该与弹簧的形成工艺相关(冷拉变形量稍小或温度稍高)。S71和S72弹簧变形均为蠕变失效。

通过梳理2009—2017年期间所有电厂的ST70型电动头的运行信息发现，当力矩设置值在580 N·m以下时未发生过电动头堵转事件，堵转故障均发生在电动头力矩设置值大于等于580 N·m的情况下，且力矩设置值越高发生电动头堵转的概率越大，说明力矩设置值越高力矩凸轮位移越长，发生偏转的程度也越大。根据目前多年运行信息表明，力矩弹簧长期压缩虽然会出现蠕变现象，弹簧长度随使用年限的增加在一定范围发生变化，但只有当电动头力矩设置超过580 N·m时才会出现电机堵转故障，即电动头力矩设置值在580 N·m以下可不考虑因弹簧蠕变长度不足导致的电机堵转故障。

3.3.2 对B电厂5RIS051 VP电动头力矩机构检查

B电厂5RIS051 VP电动头堵转时，现场发现2个凸轮已互相顶紧且力矩杆有向上偏移现象。因电动头力矩关阀后受齿轮斜面影响力矩杆存在向左和向上的分力，如图6所示。

图6 力矩杆动作示意图Fig.6 Schematic of torque rod action

测量力矩杆偏移量d1与d2差值，该差值可反映出力矩偏移量即反映出凸轮远离微动开关的距离。测量数据见表6。

表6 B电厂5RIS051 VP电动头力矩杆偏移量与其他同类型电动头数据对比

表6说明随着电动头关力矩值的增加，当接近额定值上限时，力矩杆受力增加，分力F2增加，力矩杆偏移量(远离微动开关距离)增加。电动头力矩设定值为662 N·m时偏移约0.2 mm；而电动头力矩设定值486 N·m时偏移量较小，为0.05 mm，甚至可能与不同心叠加后为负偏差，对比检查同类型力矩杆同心度，力矩杆同心度偏差为 0.05～0.20 mm。

3.3.3 对B电厂Y5RIS051 VP电动头力矩机构的微动开关进行检查

微动开关外观无异常，手压滚轮，微动开关动作正常，实测微动开关动作后压板剩约1 mm的自由空间，说明凸轮运行的轨迹精度要求高。对比测量同类力矩组件力矩微动开关动作所需行程。因制造差异，微动开关动作行程在9.9～10.6 mm范围内波动为0.7 mm(见图7)，测量数据见表7。

由表7可见，通常力矩机构的微动开关在10.2 mm动作，而B电厂5RIS051 VP微动开关动作行程裕度最小为9.9 mm才动作，比其他行程低0.3 mm。说明关凸轮行程需要更多位移才能触发微动开关。

测量B电厂5RIS051 VP力矩组件微动开关力矩设置值为662 N·m时d3的距离并与B电厂其他RIS051 VP电动头微动开关d3距离对比，结果见表8，2个凸轮互相顶紧极限50 mm位置(见图6)。

表7 力矩微动开关动作行程数据对比

表8 力矩微动开关设置位置对比

图7 力矩机构微动开关动作示意图Fig.7 Schematic of the micro-switchaction of torque mechanism

表8说明B电厂5RIS051 VP关力矩微动开关设置位置比其他电动头更接近凸轮极限距离，是该微动开关动作行程裕度偏小导致，随着电动头关力矩值增加接近额定值上限时，微动开关位置将更加接近凸轮极限位置。

4 结论

综上所述，RIS051/052 VP电动头堵转故障属同型号设备多电厂共模故障，与电缆设计、电源配置、电机出力等无关，与电动头关力矩设定值接近额定值有关。电动头力矩设定值接近额定值时无法彻底消除力矩机构的以下风险，导致电动头容易发生堵转故障。

(1)随着电动头力矩设定值接近额定值上限，力矩机构的力矩弹簧短2 mm情况下，大力矩关阀，凸轮压缩力矩弹簧的稳固性明显下降，凸轮会发生自由偏转压不到微动开关。

(2)随着电动头力矩设定值接近额定值上限，力矩机构的力矩杆受力增加，力矩杆远离微动开关的偏移量也增加，压不到微动开关。

(3)随着电动头力矩设定值接近额定值上限，力矩机构的微动开关设置更接近与凸轮顶紧的极限位置。当微动开关个体制造差异使动作行程裕度偏小的微动开关更加接近于凸轮顶紧极限位置，缓冲行程小，使凸轮还没压到微动开关就被顶紧到位。

各电厂已完成所有RIS051/052 VP电动头的长弹簧更换及整体力矩机构更换工作，电动头堵转故障未再出现。

根据以上故障原因分析，各电厂逐步发起降低RIS051/052 VP设定力矩值的申请流程，A电厂在2019年1月重新计算在最高的动作压差下阀门3/4RIS051/052 VP所需力矩值为346 N·m，并依此计算值评估通过将电动头设定力矩值降到561 N·m，目前A电厂3RIS051/052 VP降力矩值改造已实施完成。