核电站阀杆推力测量装置的设计及应用研究

杨 涛，李青华，简海林，孙 浈

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

在流体管道系统中，阀门是一种常见的机械产品，主要用于隔离设备和管道系统、防止回流、调节压力和流量，在设备系统运行中起着重要的控制、调节作用，且在各系统位置承担着重要的安全功能。阀门设备功能的正常与否、阀门的运行状态，直接关系到系统和电厂的安全经济运行。

在核电站，阀门基数大、故障类型多、故障频次高，还经常出现重大阀门缺陷（如阀门无法开启、阀杆断裂[1]、电机堵转等）导致机组停机、停堆事故发生，如Davis Bess 电站主给水隔离阀无法开启导致机组热停机、Sequoyah 电站电动闸阀关闭后无法重新打开导致辅助给水全部流失事件。这些故障的根本原因，往往是因为阀门阀杆推力的设定不正确。因此，阀杆推力的测量和正确设定，已经成为阀门诊断[2-4]、试验和维修的重要手段之一。

现在主要有两种方法来测量阀杆推力：一是在阀杆上安装应变片[5]，直接测量阀杆的变形而计算推力；另外一种则是通过安装便捷式测量装置，间接测量阀杆的变形和推力。考虑到核电站特有的辐射、高温、空间狭小等作业环境，应变片安装会带来人员辐照剂量的增加和可能放射性废物的产生，因此，一种能准确测量阀杆推力且具备即装即用/即拆功能的测量装置，对工程应用则显得尤为重要。

本文将从阀杆推力测量的重要性、测量原理、试验和工程应用等方面，对具备这种功能的C 型推力测量装置进行分析研究。

1 C 型推力测量装置的设计及原理

1.1 推力测量的重要性

在阀门开关时，执行机构的输出力传递到阀杆，进而作用到阀座。阀门的推力正确设定，是保障阀门密封、阀门动作、执行机构选型和阀门安全的重要内容，当前越来越多的阀门制造厂、核电机组会对阀门的推力进行测量和趋势分析。

阀门的推力设定值，需考虑电机输出能力、马达降压运转能力、环境温度、开关设定和测量器具的不确定度等多个因素，同时还需要考虑阀门、阀杆和执行机构的应力极限。过大的推力设定会造成阀门设备或部件损坏，过小的推力设定会导致阀门无法开启或密封不严等故障，这些不正确的设定将会给核电机组的安全运行带来隐患，而且部分核电机组也曾因这些错误的设定发生了事故。

阀杆推力的测量是为了在安全裕度和工作裕度范围内，正确设定阀门推力值，保障阀门的安全运行。

1.2 装置设计原理

1.2.1 结构设计

C 型装置的核心部件由C 型支撑、相关紧固部件和电阻应变计组成（图1）。C 型支撑为钛合金材料，紧固部件为不锈钢材料，电阻应变计粘贴在C 型支撑弧形段靠近固定块段位置，应变线缆从固定块段内部引出，电阻应变计和应变线缆均采用软性材料密封保护。

图1 C 型装置结构设计

C 型装置采用镂空设计，在保障装置刚度的同时，还可以降低装置的整体重量、提高测量精确度。安装时只需旋转紧固螺栓，即可将C 型装置安装在阀杆上。

1.2.2 推力测量原理

C 型测量装置是基于惠斯通全桥电阻应变计原理工作的：在C 型支应变片粘贴段段上、下两表面安装4 个电阻应变片，组成全惠斯通电桥，进行阀杆径向变形的间接测量（图2）。

图2 电阻应变计安装

阀杆受到推力时，会产生径向变形δD，该变形会使C 型支撑两端A 和B 产生径向移动（图3）。此时，应变片粘贴段的电阻应变计区域，也会产生相应的变化，靠近阀杆和远离阀杆的两侧，会产生方向相反的拉伸和压缩，此时4 个应变会产生一定的电阻变化，电桥失去平衡，输出电压。

图3 阀杆变形

根据虎克定律和泊松比，可计算阀杆受到的推力值F：

式中 F——阀杆受到的推力，lbf（1 lbf=4.448 222 N）

D——阀杆直径，in（1 in=25.4 mm）

δD——阀杆径向变形，μin

E——阀杆材料杨氏模量，lbf/in2

γ——泊松比

u——输出电压，μV

U——激励电压，V

ω——C 型装置灵敏度系数，（μV/V）/μin

需要说明的是，C 型装置的灵敏度系数是在计量院，通过标准压力试验机和标准圆杆校准而得。

1.2.3 测量装置与直接应变片粘贴比较

C 型测量装置与传统直接在阀杆粘贴应变片相比较，它解决了传统应变片在辐照环境、狭小空间的作业难题，同时也解决了应变片与阀杆材料、环境温度要求相对应的问题（表1）。

表1 C 型测量装置与粘贴应变片的比较

2 试验和应用研究

2.1 常见阀杆材料的几何特性

在工程现场中，常见阀杆材料[6]的几何特性参数见表2。

表2 常见阀杆材料的几何特性参数

2.2 试验研究

为验证C 型装置的推力测量能用于工程现场，且精度、重复度满足要求，试验[7]选取两根不同直径的标准圆杆（直径为0.625 in 和1.25 in），对该装置的测量精度和重复度进行研究。

两种规格圆杆的材料为17-4 不锈钢，该材料是阀杆常用的材料，成分为0Cr17Ni4Cu4Nb。由表2 可知，其杨氏模量为28 800 000 lbf/in2，泊松比为0.291。

试验方法是对标准圆杆进行5 级推力载荷递增试验，记录C 型装置测量的推力数据，并与标准载荷相比较，计算该装置的测量精度和重复度。

（1）试验1。0.625 in 标准圆杆载荷试验。加载方法：标准推力载荷从0 加至8500 lbf，每次递增1700 lbf，共进行6 次载荷递增试验。试验数据和计算结果见表3。

表3 0.625 in 标准圆杆载荷试验数据

（2）试验2。1.25 in 标准圆杆载荷试验。加载方法：标准推力载荷从0 加至22 500 lbf，每次递增4500 lbf，共进行6 次载荷递增试验。试验数据和计算结果见表4。

表4 1.25 in 标准圆杆载荷试验数据

在表3 和表4 中，测量平均载荷是6 次测试的平均值，测量精度误差τ 和重复性误差θ 计算公式如下：

式中 Fi——测试时，第i 级加载的标准载荷

Fximax——标准载荷下，6 次重复测量的最大值

Fximin——标准载荷下，6 次重复测量的最小值

从表3 和表4 可以看出，在测试数据时稳定，C 型装置没有太大的测试误差：对于0.625 in 圆杆，测量误差小于3.5%，重复性误差小于0.77%；对于1.25 in 圆杆，测量误差小于2.08%，重复性误差小于2.76%。误差满足工程测量允许的要求。

2.3 工程应用研究

基于前述的试验研究，在工程应用上选用1 台电动阀、阀杆安装C 型装置对阀门进行开关试验。阀门类型为电动闸阀，阀杆直径1 in，执行机构为Limitorque，阀杆材料为17-4 不锈钢。开关过程中，C 型装置测量整个过程阀杆的推力数值，阀杆的推力曲线见图4。

图4 阀门开关时C 型测量装置采集的阀杆推力曲线

结合阀门的结构、参数分析，该推力曲线与阀门动作时的受力情况相吻合，因此，C 型装置能有效应用在工程现场。

3 结束语

试验测试和工程研究结果表明，C 型测量装置适用于对核电站阀门阀杆的推力测量，装置满足工程现场的测量精度和重复度要求，且不受阀杆材料限制，不受环境温度影响，不需要使用粘贴剂，能够做到即装即用即拆，大大减少了工作人员在辐照环境的作业时间。另外，该推力传感器不仅适用于核电阀门阀杆的推力测量，还可用于火电、石化、汽车、航空航天等行业的圆杆构件推力、应力、应变测量。