主凝結水系統調節閥電動執行器故障分析研究

涂 冉

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

兩臺機組主凝結水（LCA）系統電動調節閥分別安裝于一級凝結水泵壓力管線及二級凝結水泵壓力管線上，分別控制2#低加液位和除氧器液位，所使用的電動執行器為俄供МЭОФ-1000/25-0.25У-01КАМ3型電動執行器。該電動執行器在機組日常運行期間出現過剎車裝置磨損、閃發斷線報警、就地與主控開度顯示不一致以及位置反饋開度突變等缺陷，影響設備正常穩定運行。

針對設備缺陷情況，組織開展了一系列的處理措施來消除故障，并將設備置于可控狀態；同時組織開展對俄供電動執行器位置反饋裝置的科研工作，研發出的新型位置反饋裝置來替代原俄供位置反饋裝置，從而提高電動調節閥設備可靠性。

1 主凝結水系統功能

通過一、二級凝泵，經凝結水精處理系統和低壓加熱系統將凝結水從凝汽器輸送給除氧器；調節凝結水流量，保持2#低壓加熱器和除氧器液位在正常范圍之內；在汽輪機空轉或低負荷運行時保證凝結水泵正常工作的主凝結水再循環流量。

在機組正常負荷運行情況下，大流量調節閥LCA10/20AA201和LCA10/20AA203都投入自動，其中一臺作為主調節閥，根據主控制偏差動作；另一臺作為輔助調節閥，根據主調節閥的開度動作，LCA10/20AA202在機組正常滿功率運行時處于常關狀態，只是在啟停機時使用。系統流程簡圖如圖1所示。

圖1 系統原理

2 電動執行器結構及原理

LCA10/20AA201/203調節閥電動執行器為俄羅斯生產的МЭОФ-1000/25-0.25У-01КАМ3型部分回轉電動執行器（以下簡稱電動頭），其傳動減速機構如圖2所示。

圖2 МЭОФ-1000/25-0.25У-01КАМ3型電動頭傳動減速器

工作原理：電動頭電機輸出端直接連接剎車機構，經過剎車另一端齒輪輸出，經五級減速后輸出主軸，位置反饋裝置與輸出主軸配合。手動操作時，轉動手輪蝸桿軸，將扭矩傳遞至行星減速機構，因行星減速機構的一個傳動軸被剎車機構的傳動齒剎住，使得手輪扭矩可以傳遞至閥門本體。其主要部件包括電機、傳動齒輪、剎車裝置、位置反饋模塊及儀控電氣接線。

2.1 剎車裝置機構

МЭОФ-1000/25-0.25У-01КАМ3型電動頭剎車裝置機械機構如圖3所示。當電機通電時，扭矩從電機輸出至剎車裝置連接部件，剎車內滾珠受右邊半圓凹坑的作用與上壓蓋之間產生相對移動，使得滾珠離開凹坑的中心，此時上壓蓋與摩擦片之間就會產生間隙，失去對摩擦片的壓力，直到彈簧的作用力與滾珠所受沿軸向分力平衡后，保持間隙，此時電機扭矩可以傳遞至左部，并最終輸出至閥門本體。當電機失電時，電機輸出扭矩消失，剎車傳動部件由于慣性繼續轉動，恰使滾珠回到凹坑的中心，此時上壓蓋與摩擦片之間受彈簧壓力作用產生摩擦力，保證左側輸出齒輪制動，實現電動頭精準定位。

圖3 剎車裝置機械結構

2.2 位置反饋裝置

МЭОФ-1000/25-0.25У-01КАМ3型電動頭所使用的位置反饋裝置型號為БСПТ-10МША，其作用是將機械信號（閥門開度）轉換成電信號，以4～20 mA電流反饋至控制系統，其主要結構如圖4所示。

圖4 位置反饋裝置結構

俄供БСПТ-10МША型位置反饋裝置詳細技術參數見表1。

表1 位置反饋裝置技術參數

3 主調節閥1LCA10AA203自動工況下無法調節2#低加液位

3.1 故障描述

2016年01月15日16：06，1號機2#低加液位主調節閥1LCA10AA203自動工況下無法調節2#低加液位，導致2#低加液位劇烈波動最低到338 mm，最高到629 mm，而2#低加正常液位維持在520 mm左右。將調節閥切到手動狀態后仍然無法操作閥門，于是就地手動緩慢搖關1LCA10AA203，同時通過開啟輔助調節閥1LCA10AA201控制2#低加液位。

3.2 故障處理過程與原因分析

根據現場缺陷表象進行分析，造成此故障的原因可能有以下5點：①電動頭內部傳動齒輪有故障，出現斷齒；②電動頭剎車裝置故障，造成電機扭矩無法傳遞；③電動頭電機存在異常，無法執行驅動；④電動頭與閥門本體連接部件失效；⑤控制系統問題造成無法控制。

通過對上述可能原因進行分析，首先存在電動系統無法控制電動頭開關的情況，通過手搖電動頭關閉閥門，且閥門能正常關閉，基于這點可以排除電動頭內部與手輪嚙合以下的四級減速齒輪出現問題，也排除了電動頭與本體連接部件可能出現的問題；在切換開啟1LCA10AA201電動調節閥時能夠正常啟動，也就排除了控制系統問題造成的電動頭無法控制。測量電機絕緣和相間阻值，都符合程序要求，因此初步判斷電機輸出部件或是剎車裝置可能存在問題。

對于無法排除的問題，對故障電動頭進行局部解體檢查，當取下電機時，發現剎車裝置與電機輸出之間傳動裝置斷裂，造成電動操作時電機空轉，閥門無法正常開關，該剎車裝置及斷裂件如圖5、圖6所示。

圖5 剎車裝置外觀

圖6 斷裂件爪部外觀

電機輸入端與圖6中的部件semi-muff（以下簡稱半套）配合，實現將扭矩傳遞至齒輪。

針對斷裂的剎車裝置，將其送到東南大學分析測試中心進行對斷裂原因分析，根據分析結果得出以下結論：

（1）斷裂源是從剎車輸入方向的順時針旋轉方向。LCA調節閥電動頭從剎車至最終輸出共有五級直齒圓柱齒輪減速，剎車輸出端的順時針方向與最終輸出至閥門本體的順時針方向相同，即閥門開啟的方向。

（2）該報告中指出斷裂的原因與機械振動及負載有關。根據歷史缺陷記錄，剎車裝置輸出端的斷裂屬該型電動頭的首次缺陷。

基于以上，推斷造成剎車裝置輸入端斷裂的主要原因是1LCA10AA203開啟方向負載過大，而管線振動較大及閥門長時間頻繁調節同樣是斷裂的促成因素。

3.3 故障討論

剎車裝置的磨損與部件的損壞是由諸多原因造成，起主要作用的應屬電動頭負載超出額定扭矩，尤其是開啟方向（剎車輸出齒輪的雙側磨損不均），過大的負載造成電機輸出扭矩增大，傳遞扭矩部件無法承受頻繁的大扭矩傳遞，從而在設計強度較低的位置出現缺陷。另外，電機頻繁啟停同樣會加速磨損和缺陷的發生。

LCA調閥在開、關方向負載相差較大，其閥芯的固定形式、填料選擇及填料壓環的結構造成了閥桿始終受不平衡力，2號機LCA物項替代的調閥力矩保護設定為1500 N·m時也出現力矩報警，而俄供LCA調閥額定扭矩僅為1000 N·m，即這些俄供調閥均長時間處于超額定負載的工況下運行，導致電動頭傳動裝置損壞、傳動齒輪磨損、調節性能差等問題的頻繁發生。

針對上述分析情況，組織升版俄供МЭОФ-1000/25-0.25У-01КАМ3型電動頭解體大修程序及維修大綱，添加解體大修時更換剎車裝置的要求。另外，目前LCA調節閥常出現卡澀缺陷，造成閥門卡澀的一個重要原因是填料被填料壓環擠進閥桿與填料壓環間的縫隙中，這在燃料循環后期更為嚴重。于是在T109大修期間對LCA調節閥填料壓環進行了優化，將填料壓環端面由錐面改為平面，將鎳絲增強石墨編織環改為中間金屬箔增強的石墨環，運行效果較好。

4 凝結水調節閥閥位開度整體偏移

凝結水調節閥閥位開度整體偏移，導致閥門就地開度與主控顯示不一致。

4.1 故障描述

2016年5月12日03:10，2號機2LCA10AA203在備用關閉的狀態下開度緩慢上漲，調取歷史曲線檢查發現該閥閥位在2016年3月9日由-0.2%的開度逐漸上漲至目前2.5%的開度，檢查凝結水其他參數無異常。

2016年9月30日13:16，1號機組發現處于運行中的調節閥1LCA10AA203閥位存在緩慢下降趨勢，由60%開度（2016年9月26日切換至1LCA10AA203運行時的開度）緩慢下降至目前約58%，調曲線檢查凝結水流量在此期間無明顯變化情況。2016年12月12日，調節閥1LCA10AA203閥位存在緩慢下降趨勢，由53%開度緩慢下降至目前約51%開度，調曲線檢查凝結水流量在此期間無明顯變化情況。

4.2 故障處理過程與原因分析

凝結水調節閥閥位反饋逐漸上漲（或下降）的缺陷屬一直存在的問題，而造成開度反饋故障的可能原因有：①俄供位置反饋模塊故障，造成開度區間整體上移（或下移）；②儀控系統開度信號采樣模件故障，造成顯示的開度逐漸上漲（或下降）。

針對俄供位置反饋模塊可能出現故障情況，已多次對位置反饋模塊進行更換處理，根據歷史記錄，凝結水調節閥2LCA10AA203在T208大修中及大修后共更換3次位置反饋模塊，2015年2號機小修期間更換了新電動頭仍無法消除缺陷。小修更換新電動頭同時，也更換了開度信號采集模件，上漲趨勢并未見好轉，基于以上推斷開度波動上漲的根本原因為俄供位置反饋模塊精度低，抗振性能差以及信號抗干擾能力差，同時LCA電動頭所處管線振動較大，振動加速度最高達到14.4 m/s2，遠遠大于電動頭操作手冊要求的振動加速度最大值9.8 m/s2，因此，振動加劇了位置反饋裝置故障，造成開度整體區間上漲（或下降）。

4.3 故障討論

針對存在的電動調節閥位置反饋裝置缺陷頻發問題，開展了針對俄供位置反饋裝置的科研，新研制出的位置反饋裝置可實現對舊裝置的替代，抗振、抗干擾性能優于舊裝置。新研制的位置反饋裝置首次于2016年8月份安裝于現場電動頭2LCA10AA203上運行，經過半年的觀察，新研制的位置反饋裝置運行穩定，效果較好，因此在T110大修前提出位置反饋裝置的物項替代申請并通過，在T110大修時更換了1號機組6臺凝結水調節閥電動頭的俄供位置反饋裝置。截止目前，更換新型位置反饋裝置后的電動頭閥位開度一直較為平穩，未再出現開度整體上漲、下降或突變的缺陷。

圖7 新型位置反饋裝置實物

5 結束語

根據LCA調節閥系統設計特點和運行工況，在不改變系統原有的設計功能的基礎上，對電動頭及閥門部件進行優化改造，從而有效降低電動頭及閥門的故障率，提高現場電動調節閥的可靠性。另外，在處理俄供電動調節閥電動頭缺陷的過程中不斷總結，為其他系統重要的電動調節閥電動頭檢修工作提供豐富的維修經驗。

針對俄供設備缺陷頻發的共性和典型問題，在滿足原始設備部件功能的前提下，可以積極通過開展針對性的科研改造手段，研制或設計出功能及可靠性優于原始物項的設備，并實現設備國產化替代。