安全級電動閥帶載診斷試驗分析

許龍龍

摘 要

安全級電動閥是一回路壓力邊界和安全殼隔離系統的重要組成部分，其能否在設計基準工況下可靠運行關系到核電廠的安全與否。本文結合安全級電動閥的技術特點，分析了電動閥傳統試驗的缺點和空載診斷試驗的局限性，針對這些不足和局限提出了帶載診斷試驗方法，并結合現場實際分析了帶載診斷試驗的優勢和所解決的具體問題。

關鍵詞

安全級電動閥;帶載診斷試驗;在役試驗;閥門系數

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

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

0 前言

壓水堆核電站防止放射性物質外泄有三道安全屏障：燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼，安全級電動閥是一回路壓力邊界和安全殼隔離系統的重要組成部分，其能否在基準工況下可靠運行關系到核電廠的安全與否。安全級電動閥有運行環境嚴酷、失效前不易發現故障/降質等技術特點。

自上世紀八十年代以來，已發生了多起因電動閥失效而造成的事故。這一系列事件促使美國開發閥門診斷技術，來提升電動閥的檢測手段，提高其可靠性。

1 電動閥設定和試驗方法分析

1.1 電動閥設定方法分析

1.1.1 傳統限位設定方法的不足

傳統的閥門限位設定方法，只能粗略的設置閥門的限位開關，而對不同規格型號的電動閥來說，閥門口徑、閥門行程、執行機構的轉速比、各個傳動部件間的間隙等參數選型不完全相同，這就很容易造成限位開關設置不當。

1.1.2 傳統力矩設定方法的不足

傳統的力矩開關設定方法，控制的是執行機構的輸出力矩，而閥門所需的是推力，同樣的力矩開關設定會由于潤滑狀況、設備將質等原因導致閥桿推力產生很大變化。

1.2 傳統試驗方法分析

傳統的行程試驗，測量的只有閥門的行程時間，沒有任何其他的閥門性能，并沒有驗證限位開關和力矩開關的設置，甚至連閥門是否真的開啟/關閉，都不能保證。

1.3 問題分析

國內大多數核電站主要用閥門診斷技術來查找出現過失效/故障的電動閥的故障原因，主要存在以下不足：

（1）沒有定量的驗收標準。

（2）只做試驗，并給出試驗結論和推薦性維修意見，試驗時不根據驗收標準進行設置調整和預防性維修。

（3）無法定量判斷閥桿潤滑和密封面摩擦系數的變化情況。

（4）沒有進行裕量管理和趨勢分析。

綜上所述，傳統的電動閥設定/試驗方法以及國內其他核電站開展的診斷試驗均存在一定不足，無法定量的證明安全級電動閥能夠在設計基準工況下執行其安全功能。需要采用新的診斷試驗方法和驗收準則。

2 安全級電動閥空載診斷試驗的局限性分析

2.1 無法確認閥門系數的保守性并根據實際情況進行調整

閥門系數的選取對最終的驗收標準影響很大，只有確保計算時選取的數值是保守的才能最終判定試驗結果滿足要求，但空載試驗無法做到這一點。

2.2 無法預測出閥門在設計基準工況下的行程時間

直流電機的輸出轉速受負荷的影響很大，導致安全級電動閥在空載時的行程時間比帶載時的行程時間短。需要實現不同工況下行程時間的互相轉換，才能有效評估在役試驗結果。而空載診斷試驗只能提供閥門的空載行程時間，也無法預測出閥門在設計基準工況下的行程時間。

2.3 無法發現帶載時會出現的特殊問題

由于閥門在帶載時，管道中有介質壓力和流量，除了一般的受力變化外還會出現其他特殊問題。例如：導軌以及密封面的磨損，負荷加載速率對閥桿推力的影響等，這些特殊問題均會影響閥門的帶載性能。

3 帶載診斷試驗的應用

3.1 驗證并調整閥門系數

VF—閥門系數屬于變量，設備的老化以及維護保養情況均會使其發生變化[1]。在設計階段，應保守取值，以使設備在整個壽命周期內均具有執行其安全功能的能力。但倘若在調試及運行期間發現無法將力矩開關和限位開關設定到驗收標準范圍內，則可以通過診斷試驗實際測量，確定目前實際的閥門系數和初始計算時所采用的保守值相差多少，是否可以在計算設定窗口時采用低一些的閥門系數，從而使設定窗口擴大。然后通過后續的定期診斷試驗來驗證此假設的保守性，并持續監測閥門系數的變化情況，對其進行趨勢分析，及時調整診斷試驗的驗收標準。而閥門系數可以通過帶載診斷試驗得到：

以正常余熱排出系統的閥門RNS-PL-V011，RNS出口母管殼外隔離閥為例：此電動閥為8英寸楔式彈性閘閥，電動執行機構型號為Limitorque SB-1-60，設定值見表1。

從上述計算結果可知，目標窗口只有2541lbs（11302N），將此窗口轉化為力矩開關的刻度則為27/16到29/16，只有1/8的調整范圍，這么小的窗口在實際設定力矩開關時將幾乎不可能設定成功。可在系統調試時對其進行帶載診斷試驗，測量實際的閥門系數，若實際測得的閥門系數降低到0.4，則設定窗口將會顯著擴大到9917lbs（44113N），力矩開關的調整范圍將變為1/2。

3.2 測量設計基準工況下的行程時間

若直接在設計基準工況下執行帶載診斷試驗，則能直接得到閥門在設計基準工況下的行程時間，即使試驗工況沒有達到設計基準工況，只要壓差達到了設計基準工況的1/3以上，也能通過試驗結果預測出閥門在設計基準工況下的負荷，從而通過已有的數學模型實現空載行程時間與設計基準工況行程時間的轉換，進而有效評估在役試驗結果。

3.3 及時發現閥門帶載時會出現的特殊問題

在閥門帶載時，由于介質壓力和流量的作用，會出現一些特殊問題。例如圖4所示，管道內有流量時，若閥門制造精度不佳，則閘板會因為流體的作用而發生較大偏轉，從而使閘板密封面和閥門密封面間發生刮擦，閘板導軌和導槽間也會發生刮擦，造成閥門運行負荷增加甚至損壞密封面及導軌[1]。若進行了帶載診斷試驗，就能在診斷曲線中及時發現此問題，從而及時對閥門進行解體維修。

4 結論

通過上述分析，可以得出以下結論：帶載診斷試驗能夠測量實際的閥門系數，并根據實際的閥門系數調整診斷試驗的驗收標準，能夠建立空載行程時間和設計基準工況行程時間的轉換關系并及時發現閥門帶載時會出現的特殊問題，從而有效彌補空載診斷試驗的局限。

參考文獻

[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.