核電廠電動球閥可靠性定量分析

李耀武 趙雪岑 王 磊 艾 陽 黎昭文 王昌朔 王嘉瑞 李 毅

（1、核反應堆系統設計重點實驗室，四川 成都610213 2、中國核動力研究設計院，四川 成都610213）

1 概述

電動球閥廣泛應用于核電廠各系統，部分電動球閥為安全級設備，其可靠性對于系統安全運行起著至關重要的作用。傳統電動球閥受結構、材料制造、加工工藝等因素制約，存在密封性能不高、不定期短時泄漏、動作壽命較低、動作卡滯等問題[1-3]。提升電動球閥可靠性對核電廠系統的安全可靠運行，降低維護修理費用等具有重大意義。

本文在電動球閥故障分析的基礎上，掌握電動球閥關鍵零部件的失效規律，建立了電機、軸承、閥座球體密封、中法蘭密封以及閥座閥體密封的故障率數學模型。選取某核電廠用安全級電動球閥，進行了整機故障率、平均無故障動作次數以及可靠度的試算。

2 電動球閥主要結構

電動球閥主要由閥門部分和電傳動裝置兩部分組成。部分回轉的電傳動裝置位于金屬密封球閥的上方，是驅動閥門啟閉的動力源。閥門部分主要由閥體、球體、閥座、軸承等組成。電傳動裝置由電機、減速器、軸承等組成。電動球閥的結構如圖1 所示。

圖1 電動球閥結構簡圖

閥門常見故障模式主要分為密封失效和動作失效兩種類型，密封失效包括內密封失效和內密封失效，會影響閥門截斷介質的能力和導致放射性介質泄漏；動作失效主要表現形式為卡滯、電氣部件損壞、異常噪音等[4]。

3 電動球閥可靠性框圖

可靠性框圖是由代表產品或功能的方框和連線組成，表示各組成單元的正常或失效狀態對系統狀態的影響的邏輯圖。根據用途，可靠性框圖可以分為基本可靠性框圖和任務可靠性框圖。

3.1 基本可靠性框圖

圖2 電動球閥基本可靠性框圖

3.2 任務可靠性框圖

電動球閥可靠性和順利動作的任務可靠性框圖同基本可靠性框圖。

4 可靠性數學模型及試算[5]

根據上述故障模式及可靠性框圖，本部分建立了電動球閥故障率數學模型。以某電動球閥為研究對象，根據其結構及設計參數，確定各部件的故障率，根據試算結果獲得閥門整體故障率。

4.1 可靠性數學模型

故障率是指“工作到某時刻尚未發生故障（失效）的產品，在該時刻后單位時間內發生故障（失效）的概率”。電動球閥的故障率可用如下公式表示：

式中：λV——閥門整機失效率；

λM——電機失效率，見第4.1.1 節；

λBE——軸承失效率，見第4.1.2 節；

λST——閥芯傳動部件失效率，由于目前尚無傳動裝置或其零部件結構可靠性數據，故本文暫不考慮其失效率，取值為0；

λFQE——閥座球體密封失效率，見第4.1.3 節；

λFSE——中法蘭密封失效率，見第4.1.4 節；

λFFE——閥座閥體密封失效率，見第4.1.5 節；

λHO——閥體失效率，取值為0.01 次/百萬次。

4.1.1 電機失效率

表1 軸承使用條件系數

ν0=2×10-8lbf·min/in2，ν——流體動力粘度，單位為lbf·min/in2。

常見介質Cν值見表2。

CN——介質中雜質顆粒影響系數

由于一回路系統閥門工作介質清潔度較高，取值為1。

CB——閥芯間隙影響系數

當間隙B＜500μin，CB=0.42；

表2 常見介質在不同溫度下Cν取值表

CDS——閥芯直徑影響系數

CDS=0.615DSP

DSP——閥芯直徑，單位為in。

Cμ——摩擦影響系數，見表3。

表3 不同閥座閥芯接觸材料的摩擦影響系數

當（TR-TO）≤40oF 時，t=（TR-TO）/18；

當（TR-TO）＞40oF 時，CT=0.21。其中TR——密封設計額定溫度，單位為oF，見表4；TO——密封使用溫度，單位為oF。

CN——介質中雜質顆粒影響系數；同閥座球體密封，見4.1.3 節。

4.1.5 閥座閥體密封失效率

表4 典型密封材料額定溫度

電動球閥閥座與閥體間的密封構件采用波紋管（膜片）。波紋管在閥座密封系統中既作為密封元件，又具有彈性元件作為閥座組件熱脹冷縮的補償功能，是實現閥座密封系統設計功能的重要保證。采用動密封公式計算：

λFSE，B——基本失效率，取值1.25 次/百萬轉;

CQ——允許泄漏率影響系數；同閥座球體密封，見4.1.3 節。

CH——接觸應力影響系數；同中法蘭密封，見4.1.4 節。

CF——密封面粗糙度影響系數

當f≤10μin，CF=1.0

Cν——流體粘度影響系數；同閥座球體密封，見4.1.3 節。

CT——溫度影響系數；同中法蘭密封，見4.1.4 節。

CN——介質中雜質顆粒影響系數；同閥座球體密封，見4.1.3 節。

CPV——壓力轉速影響系數；該系數為實際使用時PV 值與設計PV 值的比值，閥門取為1。

4.2 故障率試算

對某核級電動球閥進行故障率試算，結構及相關設計參數如下表5 所示。

表5 電動球閥設計參數

4.2.4 中法蘭密封失效率

4.2.7 無故障動作次數[6]

對于機械產品，當其工作進入偶然故障期后，其故障率接近常數，可按指數分布處理，此時平均無故障動作次數及可靠度計算公式分別為：

即電動球閥平均無故障動作次數為1815 次，工作300 次不發生故障的概率為84.8%，其整機可靠性相對較低，必須采取相應的設計改進措施或定期更換易損件來提高密封結構的可靠性，從而提高閥門整機可靠性，保證滿足系統要求。

5 結論

本文在電動球閥故障模式分析的基礎上，建立了電動球閥故障率數學模型以及閥門整機的可靠性數學評估方法。選取了典型參數的電動球閥，根據其設計及運行參數，對關鍵部位故障率進行了計算，并據此對閥門整體進行了可靠性（無故障動作次數和可靠度）評估。結果表明電動球閥在高參數工況條件下的密封故障率較高，平均無故障動作次數不高，其中閥座球體密封、中法蘭密封、閥座閥體密封結構的設計是提升電動球閥可靠性的關鍵因素。

本文建立的可靠性模型以及電機、軸承、閥座球體密封、中法蘭密封、閥座閥體密封的故障率模型，可為類似閥門的可靠性分析評估以及關鍵部位可靠性提升研究提供參考。