電動閥診斷技術在核電廠的應用

摘要：福島核事故發生之后，核電站的安全性再度受到全社會的關注，而電動閥廣泛應用于核電廠的專設安全系統中，其可靠性直接關系到系統的安全與否。電動閥診斷技術作為一種新型技術，是提高電動閥可靠性的有效技術手段。文章介紹了如何確定診斷試驗的驗收標準以及應用該技術正確設置閥門并提高設備的可靠性。

關鍵詞：電動閥；診斷試驗；裕量；周期性驗證試驗；核電廠 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH138 文章編號：1009-2374（2015）22-0042-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.021

電動閥廣泛應用于核電廠的專設安全系統中，與系統的安全息息相關，電動閥的失效可能會導致嚴重的核安全事故，美國三哩島核事故主要原因之一就是電動閥失效，因此在事故后的原因分析和后續行動中，美國核管會對閥門的在事故工況下能否執行其安全功能及閥門的可靠性給予了高度的關注，并發布了一系列的文件，如GL89-10、GL96-05等，其中就要求確保電動閥在設計基準條件下能執行其功能。電動閥診斷技術就由此發展而來，本文主要介紹在核電廠如何應用電動閥診斷技術正確設置閥門和提高設備的可靠性。

1 電動閥診斷技術簡介

1.1 電動閥診斷試驗的背景

電動閥診斷試驗是美國核管會要求運營核電站必須執行的監督項目，其要求包括利用診斷測試系統確認和驗證電動閥能夠在設計基準工況下執行其功能，建立電動閥初始數據庫，在電站運行壽命內對電動閥進行定期驗證試驗。在三門核電1、2號機組的最終安全分析報告中也對電動閥的診斷試驗做了明確要求。

1.2 電動閥診斷試驗的原理

電動閥診斷試驗是利用安裝在閥桿上的應力傳感器及安裝在執行機構電氣回路和控制回路中的輔助測試裝置，在閥門開關過程中實時跟蹤采集閥桿所受到的軸向推力及扭矩以及電機的工作電流、工作電壓、控制回路中控制開關的動作時間等數據，從而獲得電動閥的運行性能。

2 確定診斷試驗的驗收標準

2.1 計算閥門所需推力/扭矩

以楔式閘閥為例：

閥門關閉所需最小推力：F1=

閥門開啟所需最小推力：F2=

式中：

——填料摩擦力

——閥桿活塞效應所產生的軸向力

——閘板上的壓差所產生的軸向力

式中：

——閥桿直徑

=

式中：

——閥桿有效面積

——管道流體壓力

=

式中：

——閥瓣面積

——閥門最大壓差

——閥門因子，計算公式如下=us/cosθ±ussinθ，其中us為閘板和閥座之間的摩擦系數，一般行業內保守取值為0.58，θ為閘板楔角的一半，“+”適用于閥門打開，“-”適用于閥門關閉。

2.2 計算電動執行機構的輸出能力

在欠壓情況下，執行機構的扭矩輸出能力：

式中：

MST——電機起動力矩

OAR——執行機構總體減速比

PE——執行機構效率

AF——應用系數，取0.9

Vmt——電機端電壓

Vrated——電機額定電壓

n——交流電機取2，直流電機取1

在欠壓情況下，執行機構的推力輸出能力：

SF為電動執行機構扭矩與閥桿推力的轉化系數，計算公式如下：

式中：

d——梯形螺紋中徑

——閥桿和閥桿螺母間的摩擦系數

α——梯形螺紋牙形角的一半，對于ACME標準梯形螺紋α=14.5°

——螺紋升角，，其中N為螺紋線數，P為螺紋螺距。

2.3 不確定度的計算

由于在試驗過程中會存在許多不確定因素，會對試驗結果產生影響，所以在驗收標準的制定上也必須考慮不確定度，不確定度包括隨機誤差和系統誤差，即：

隨機誤差主要包括力矩開關的重復性誤差、診斷設備的誤差；系統誤差主要包括潤滑脂的降質、宣稱的

裕量。

2.4 確定診斷試驗的推力/扭矩設定窗口

確定下窗口：

確定上窗口：

式中：

——閥門的結構強度限值

——執行機構的結構強度限值

據此，可得出診斷試驗的驗收標準，如圖1所示：

3 基準診斷試驗與周期性驗證試驗

3.1 基準診斷試驗

試驗人員根據前面的計算結果對電動閥的力矩開關和限位開關的初步調整，然后利用診斷試驗設備測量閥桿上的推力和扭矩，驗證和調整力矩開關和限位開關的設置，最終使閥桿上的推力在試驗窗口之內。與此同時，還應驗證：

3.1.1 用于支持設定值計算的假設是保守的，主要有：（1）測量的填料摩擦力小于計算時的假定值；（2）測量的閥桿和閥桿螺母間的摩擦系數小于計算時的假定值；（3）測量的閘板和閥座之間的摩擦系數小于計算時的假定值。

3.1.2 確保沒有重要的或無法解釋的異常表現。

3.1.3 確保與上次試驗相比沒有重要的或無法解釋的性能變化。通過診斷試驗得到的閥桿推力曲線，可以獲得在力矩開關/限位開關動作時閥桿上的推力，從而計算出閥門的實際裕量：實際裕量=測量推力-閥門實際所需推力閥門實際所需推力。

3.2 周期性驗證試驗

根據NRC Generic Letter 96-05和三門核電1、2號機組最終安全分析報告的要求，所有安全級電動閥均需要進行周期性驗證試驗，根據周期性驗證試驗的結果，確定是否需要對閥門進行調整和維修，試驗的周期跟裕量和風險等級有關，如表1所示：

通過周期性驗證試驗，不但能夠驗證電動閥能夠在設計基準工況下執行其功能，還可對試驗結果進行趨勢分析，及時發現并跟蹤設備的降質，從而實現狀態維修，提高設備的可靠性。跟蹤和趨勢分析的參數主要為電動閥失效、閥桿潤滑降質、裕量、閥桿螺母磨損、閘板拔出力、最大落座力、行程時間等。

4 結語

本文著重介紹了如何確定電動閥診斷試驗的驗收標準和利用電動閥診斷技術對電動閥進行設置，從而保證其能夠在設計基準工況下執行其功能。利用電動閥診斷技術不但能夠定量地確定設備的可用性，還能作為狀態維修的一種工具，及時發現并跟蹤設備的降質，進行趨勢分析和有針對性的維修活動，從而提高設備的可靠性，值得在其他核電站推廣應用。

參考文獻

[1] EPRI，Nuclear Maintenance Applications Center：Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear Power Plants-Revision2，2007.

[2] NRC，NRC Generic Letter89-10：Safety-Related Motor-Operated Valve Testing and Surveillance Results of the Public Workshops，June28，1989.

[3] NRC，NRC Generic Letter96-05：Periodic Verification design-basis Capability of Safety-Related Motor-Operated Valve，September18，1996.

[4] NRC，Resolution of Generic Safety Issue158：Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions，March 15，2000.

作者簡介：許龍龍（1988-），男，新疆塔城人，三門核電有限公司助理工程師，研究方向：電動閥的調試與維修。

（責任編輯：陳 倩）