電磁閥的失效模式及維修策略

蔣道福

（大亞灣核電運營管理有限責任公司生產部，廣東 深圳518124）

大亞灣與嶺澳核電站系統設備上使用了很多進口電磁閥，目前國內還沒有合適的替代品。隨著服役時間的延長，這些電磁閥出現了不少的問題。本文對電磁閥的故障現象、工作原理、失效模式及機理進行全面分析，提出了電磁閥的維修策略。

1 統計與分析

1.1 故障現象

大亞灣與嶺澳核電站核島和常規島的系統上使用了大量進口電磁閥，用得最多的是法國ASCO廠家生產的電磁閥（V301、MT302和MB等）。其中V301、MT302及主蒸汽系統（VVP）上的主蒸汽隔離閥上用的電磁閥故障率較高，出現了漏氣、漏油、生銹和卡澀拒動等故障，這些故障可能引起電磁閥密封環或閥芯損壞，嚴重影響了系統設備的可靠性。

1.2 工作原理

電磁閥是一種在電磁力作用下動作的執行機構，主要由線圈、彈簧、線圈外殼、電磁閥芯、閥座及彈性密封橡膠等部件組成。電磁閥又分為交流電磁閥和直流電磁閥，核電廠使用最多的是直流電磁閥。

電磁閥工作時，給線圈加上額定電壓使線圈帶電勵磁，鐵芯將帶動閥芯克服彈簧力運行，打開或關閉閥門，控制介質流動。線圈失電時，磁場力消失，閥芯在彈簧力的作用下回座，回到初始狀態。有些電磁閥設計為調節控制，失電時將保持原來位置。

電磁閥按工作方式劃分為直動閥和先導閥2種類型。直動閥將所有的力都加在閥桿上，移動閥芯與閥座接觸；先導閥則是通過內部1個小的氣動閥去控制壓力較大的活塞或隔膜閥，由活塞或隔膜閥去打開或關閉主閥。

電磁閥按接口數劃分為2位、3位及4位電磁閥。大多數電磁閥都使用壓縮空氣去控制系統流程中壓力較大的閥門，另一些電磁閥使用其他介質（如液壓油等）去驅動較大的控制設備，如VVP系統主蒸汽隔離閥上的保護電磁閥、汽輪機保護系統（GSE）及汽輪機調節系統（GRE）上的保護電磁閥等。

1.3 受力分析

電磁閥線圈通電以后，將會產生1個磁場。這時閥芯將同時受到磁場力與彈簧力的作用，2個力不平衡，閥芯就會移動。如果線圈失電，則閥芯只受到彈簧力的作用。磁場力與彈簧力相互作用的關系曲線見圖1。當電磁閥勵磁時，產生的磁場力大于彈簧力，使閥芯快速向閥座移動，直到二者間隙為0，閥芯與閥座完全密封。當閥芯被磁場力驅動使其與閥座間隙為0時，這時的磁場力最大。這時彈簧力也同時作用在閥芯上，與磁場力相反。當磁場力消失后，在彈簧力作用下，閥芯與閥座脫開回到初始位置（100%間隙）［1］。

圖1 電磁閥磁場力與彈簧力相互作用的關系曲線Fig.1 Relation curve of solenoid magnetic and spring force interaction

由圖1可以看出，活塞在磁場力作用下移動，給彈簧加載。當線圈加上40V電壓時，不足以克服彈簧力移動活塞（A點）。當電壓提高到80V后，彈簧力與電磁力相等（B點）。如果電壓慢慢上升，電磁力將超過彈簧力，閥芯將開始移動，這個電壓叫作啟動電壓。當閥芯移動到圖1左端時，閥芯與閥座的間隙減小，且電磁力增加的速度比彈簧力快，導致閥芯加速向閥座移動，直到完全接觸為止。根據電磁閥設計參數和系統上的工作壓力，其動作所需時間大約為5～500ms。

閥芯與閥座完全接觸時，磁場力達到最大值（C點），此時電磁力超過了彈簧力且存在一定的余量。如果電壓繼續提高到120V，也只是使電磁力的余量更大。當電壓慢慢下降時，閥芯沒有動作，直到下降到40V（D點）時彈簧力等于電磁力。降低電壓允許閥芯開始動作，這個電壓叫作返回電壓。閥芯移動到圖1右端時，閥芯與閥座的間隙增大，磁場力減小，彈簧力余量增大，直到閥芯加速向外移動到頂端（100%間隙）。另一方面，一旦電壓降低到返回電壓值，電磁閥即將失磁，電磁力將會完全消失。

1.4 失效模式、機理及原因

根據大亞灣與嶺澳核電站相關的數據統計，電磁閥各種失效模式、機理及原因的百分比數據見圖2。

圖2 電磁閥失效模式、機理及原因的統計數據Fig.2 Statistic data of solenoid valve failure mode，mechanism and reason

1.4.1 失效模式

經過統計，電磁閥主要有以下4種失效模式：① 泄漏：電磁閥關閉不嚴，閥芯不能隔離流體介質（氣、油、水等）；② 拒動：要求電磁閥動作時，閥門不能正確動作；③ 誤動：沒有動作信號，電磁閥自動關閉或者打開；④ 動作時間超差：電磁閥全開或者全關過程中，動作時間不滿足設計要求。各種失效模式產生的原因及其所占比例見圖3。

圖3 各種失效產生的原因及比例Fig.3 All failure reasons and percentage

1.4.2 失效機理

由機械物理引起的電磁閥失效機理主要包括：① 工作壓差超標：電磁閥在系統上使用時，不滿足廠家要求的最大（最小）介質進出口需要的壓差設計要求；② 密封環失效：彈性橡膠變硬或者腐爛分解；③ 電氣失效：線圈絕緣降級、物理損壞、焊接頭不牢固、焊接線錯誤或者線圈出現開路現象；④ 異物：來自外部無關的物質進入到電磁閥內部，影響電磁閥動作，出現卡澀或密封不嚴現象；⑤ 潤滑失效：使用的潤滑劑已經降級或者存在不適當的潤滑；⑥ 其他一次失效：僅出現1次的失效；⑦ 不明原因：沒有足夠的信息證實的失效。

1.4.3 失效原因

電磁閥失效的原因主要包括：① 老化：電磁閥部件出現老化失效；② 過濾器失效：空氣太臟，電磁閥使用的過濾器堵塞或者使用了規格尺寸不合適的過濾器及濾網；③ 線圈過熱：線圈帶電時，電磁閥溫度上升引起過熱；④ 潤滑失效：電磁閥使用的潤滑劑出現惡化或進行了不適當的潤滑；⑤ 質量失效：在維修、制造、設計（包括電磁閥設計型號變更）中出現失誤，引起電磁閥失效；⑥ 其他一次失效：電磁閥僅發生1次失效；⑦ 不明原因：沒有找到的電磁閥失效原因。

2 維修策略

2.1 維修周期的制定

2.1.1 影響維修周期的因素

影響電磁閥壽命的因素很多，在制定電磁閥維修周期時主要考慮以下幾個影響因素：

（1）介質污染的影響：電磁閥用在高介質污染的系統上時，需要解體閥門進行清潔，可以在每個換料周期進行1次清洗；如果是中等程度污染，則根據運行經驗制定維修周期；污染較低時可以不進行清潔。

（2）電氣影響：電磁閥勵磁會使線圈和密封圈產生熱量而降級失效。許多電磁閥有設計壽命，在運行5～10a以后會產生嚴重降級。如果沒有其他數據和經驗證明其可靠性完好，在5～10a以后，可以考慮更換。電磁閥的維修周期可以根據周圍環境、運行溫度條件和橡膠密封圈的型號來進行調整。

（3）介質溫度的影響：電磁閥在運行過程中，介質溫度高會加速線圈和密封圈的降級，特別是對橡膠密封圈的壽命影響較大。可以根據密封圈材料所承受的溫度要求來確定更換的時間，使用耐高溫的密封材料可以延長更換時間。

（4）環境溫度的影響：環境溫度高對電磁閥線圈和密封圈的降級有很大影響。隨著溫度升高，所使用材料的壽命會逐漸降低。因此，可以根據環境溫度、廠家要求的溫度限制和運行經驗來確定電磁閥的維修周期。環境溫度可以分為3類：正常環境溫度38℃以下；中等環境溫度38～57℃；高溫環境溫度57～70℃。與正常環境溫度相比較，電磁閥在中等環境溫度下使用大約要多翻新2～3次，而在高溫環境下使用大約要多翻新4次。

（5）閥芯損壞的影響：當電磁閥打開時，介質流動會引起閥芯損壞和腐蝕，介質中存在的污染物對閥門的降級影響更大。與正常關閉的閥門比較，正常打開的閥門受到流動介質的影響更大，所以重新維修的頻率更高。正常關閉的閥門也會受到高溫、高壓介質的影響，當電磁閥周期性動作時，閥芯會產生較大的降級。根據允許泄漏流量的限制，可以要求對閥芯進行定期維修。

（6）閥座損壞的影響：根據不同的設計，閥座定期維修周期的制定主要依靠經驗。

（7）老化部件的影響：隨著運行時間的增加，電磁閥的個別部件會出現老化現象。對老化部件進行定期更換，使電磁閥得到翻新，可以延長電磁閥的使用壽命。老化部件更換周期主要依靠經驗來制定。對電磁閥的結構和原理進行分析后可知，電磁閥的老化部件主要是線圈和密封橡膠。

① 線圈：如果沒有持續勵磁且環境濕度滿足要求，線圈有很長的壽命；如果溫度升高和持續勵磁，線圈的壽命就會減少。在正常溫度范圍內持續勵磁，保守估計，線圈的使用壽命是4～10a（30 000～60 000h）；溫度每升高8～10℃，線圈的使用壽命會成倍降低。如果電磁閥線圈材料滿足環境質量鑒定（EQ）程序要求，且經過了EQ鑒定，則與沒有被EQ程序控制的電磁閥線圈材料相比，估計其使用壽命應更加保守；

② 密封環橡膠：影響密封環橡膠的因素很復雜，所以估計密封環的壽命相當困難。當線圈勵磁時間延長時，電磁閥可能比環境溫度高25～50℃；如果運行溫度接近電磁閥設計要求的上限值，密封環橡膠則只能使用幾年；如果電磁閥在比較好的環境溫度下工作，密封環橡膠可能使用5～10a或更長一些。

當電磁閥定期修復或者更換時，可以對密封環橡膠進行檢查，看其是否柔軟，有無變形、裂紋和壓縮等痕跡。這些信息可以作為確定電磁閥翻新和維修周期的參考。

2.1.2 確定維修周期的方法

電磁閥在整個壽期內失效率的變化曲線形如“浴盆”：在壽期的初期較高，中期則相對較低，末期又快速上升。對于電磁閥的維修時點，如果選在其壽期的中期，不但浪費資源，而且可能降低其可靠性；如果選在其壽期的末期，電磁閥失效的概率大大增加，可能影響系統的安全。因此，選擇電磁閥的維修時點即不能超前，也不能落后，應當適當地保守，選擇其壽期中期與末期的臨界點較好。

尋找臨界點主要采取的5種方法是：① 測量線圈的絕緣電阻；② 測量線圈的啟動電壓和返回電壓；③ 測量線圈溫度；④ 測量電磁閥的內部泄漏量；⑤ 電磁閥控制介質的流量試驗。

目前，制定電磁閥維修周期通常采用2種方法：① 在電磁閥的壽期接近臨界點時，可以進行一些預防性檢查，比較當前一些參數與可以接受的初始參數值是否存在微小差別，這些差別可能預示電磁閥的失效率將要快速上升，應立即啟動電磁閥的首次維修活動；② 確定1個時間周期（如5a）或者運行時間（如10 000h），到點就對電磁閥進行翻新或更換。確定該時間周期時，必須參考核電廠的運行經驗、廠家設計要求和電磁閥實際使用的情況。

2.2 維修方法

2.2.1 常規檢查

常規檢查是簡單的定性檢查方法，不需要任何設備工具，一般包括以下檢查項：① 電磁閥的外觀、電纜和管道系統是否有物理損壞；② 管道的安裝及支撐固定是否正確；③ 接線及端子連接是否適當；④ 觀察外部泄漏證據，如水、化學沉積物痕跡；⑤ 是否有電氣過熱氣味，如線圈等其他電氣部件過熱或燃燒時產生的氣味；⑥ 是否有電磁閥產生的較大的嗡嗡聲；⑦ 閥門泄漏等有無異常聲音；⑧ 用手檢查排氣口是否有泄漏。

2.2.2 核級電磁閥維修

根據閥門的安全分級要求，統計了大亞灣核電站安全相關設備所使用的電磁閥，有EQ質量鑒定要求的電磁閥大約有100多個。從安全要求上考慮，這些電磁閥可能需要進行預防性維修。可以參考法國電力公司（EDF）的以下維修方法：

（1）K1級電磁閥維修方法：該類電磁閥有V301、MB和MT等型號，只允許整體更換，不能更換部件。

（2）非K1級電磁閥維修方法：該類電磁閥有V301、MB、MT和M2T等型號，采取的維修方法主要是更換部件，但如果單獨更換電磁閥的密封圈、滑閥或閥門時發生卡澀就要禁止采取這種方法。不同型號電磁閥的維修方法是：①V301型電磁閥：只允許更換帶二極管的線圈和殼體（閥）。② MB型電磁閥：只允許更換閥芯組件，如帶VAMAC密封圈的彈簧和帶二極管的線圈。③ MT和M2T型電磁閥：發生故障時，應更換全套滑閥。

2.2.3 常規電磁閥的維修

常規電磁閥有3種維修方法：① 定期檢查線圈電阻；② 定期更換密封環；③ 整體定期更換電磁閥。

對于所執行的功能不是很重要的常規電磁閥，沒有必要制定維修大綱，可以進行糾正性維修，以節約維修成本。

2.3 維修大綱的制定和完善

在大亞灣與嶺澳核電站，根據日常出現的電磁閥故障現象、頻率以及外部事件反饋，制定了重要及使用環境惡劣的電磁閥的維修大綱。根據維修大綱的技術要求，維修方法主要是定期更換，其次是解體檢查及更換密封環。電磁閥最短的維修周期為3個換料周期，最長的維修周期為15個換料周期。

維修大綱規定，大亞灣與嶺澳核電站的核島及常規島中重要的電磁閥都必須作定期試驗，以驗證電磁閥在系統上的動作是否正常，確保在事故情況下電磁閥能夠可靠地動作，從而保護系統的安全。

目前維修大綱基本能保證電磁閥正常工作，在使用過程中根據現場出現的新情況還在不斷優化完善。

3 結束語

目前，國內外對于電磁閥缺少系統的維修方法，法國的核電廠沒有采用定期更換電磁閥的維修策略，糾正性維修仍是電磁閥維修的主流方法。電磁閥價格較貴，合理使用才能延長其使用壽命。改進電磁閥線圈的級別和密封材料，可以提高其使用壽命，例如密封材料使用氟橡膠（使用溫度范圍－20～250℃）耐高溫材料比使用丁腈橡膠（使用溫度范圍－25～100℃）材料好；使用H級（最高溫度180℃）的線圈比使用B級（最高溫度130℃）的線圈好。提高電磁閥的質量及性能，既可以降低故障率，也可以節約維修成本。大亞灣與嶺澳核電站電磁閥的維修策略對相關核電廠電磁閥的維修具有一定的參考價值。

［1］ EPRI 1007915 NP－7414 電磁閥維修導則［S］.