電動隔離閥診斷測試技術在核電廠中的應用

劉 洋，舒芝鋒，黃 萍，楊津瑞

（核動力運行研究所，湖北武漢 430070）

0 引言

核電廠用電動隔離閥分布在電廠的各大系統(tǒng)中，如PWR（Pressurized Water Reactor，壓水堆）的RCP（Reactor Coolant System，反應堆冷卻劑系統(tǒng)）和RCV（Chemical and Volume Control System，化學和容積控制系統(tǒng)）等，一般起隔離邊界作用，與系統(tǒng)安全息息相關。為確保核電廠安全運行，電動隔離閥門開啟和關閉必須準確到位，來保證系統(tǒng)通斷，防止放射性外泄。如果開關失效，核電廠可能會產生嚴重的核安全事故和經濟損失。對新電廠而言，雖然役前調試沒有放射性，但其時間緊、任務重，如果電動隔離閥出現(xiàn)故障，將直接影響后續(xù)水壓實驗的開展，導致整個時間節(jié)點推遲；另外，電動隔離閥的驗收和調試工作缺乏完整的數(shù)據(jù)支撐，一些故障和隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，對今后的運行和維護造成巨大隱患。為解決目前核電廠役前調試中電動隔離閥存在的諸多問題，應用先進的電動隔離閥診斷測試技術是較可行的方案。

1 電動隔離閥診斷測試技術介紹

1.1 技術簡介

電動隔離閥診斷測試技術是一項“從實踐中來，到實踐中去”的實用技術，它主要包括4個方面內容。

（1）在線測試。以閥門不拆卸、不解體為前提，借助傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等軟硬件技術，在系統(tǒng)回路上開關閥門過程中測量實時的機械、電氣特性參數(shù)及趨勢曲線，如閥桿推力、填料摩擦力、電機電流/電壓、閥門控制（限位、力矩）開關與行程指示開關動作邏輯等。

（2）診斷分析。根據(jù)測量的特性參數(shù)及趨勢曲線來判斷電動隔離閥的密封性能和動作性能，如閥瓣與閥座密封力不夠時就會發(fā)生內漏、填料摩擦力不夠則會發(fā)生外漏、控制開關失效會引起閥門操作風險甚至損壞控制柜或電機、行程指示開關故障會引起閥門誤操作等，并識別真正需要維修的閥門。

（3）閥門調整。在閥門機械和電氣部件正常工作的情況下，調整閥門實際行程、密封力、填料摩擦力、控制/指示開關動作邏輯等。

（4）維修建議。根據(jù)診斷分析結果對真正需要維修的閥門提出維修方案，包括更換閥門部件、解體檢修等。

1.2 診斷測試內容

對電動隔離閥而言，密封性能和動作性能是核電廠關注的重點，如表1所示。在診斷測試中必須對不符合標準的閥門做適當?shù)恼{整或提出維修建議，并在調整或維修后重新對其進行診斷測試，直至其性能參數(shù)合格。

表1 診斷測試內容

2 閥門診斷技術在核電廠役前調試中的應用情況

2.1 項目概況

以某核電廠2臺機組役前調試期間的30多臺、50多臺關鍵電動隔離閥診斷測試項目為例。項目所涉電動隔離閥主要分布在RIS（Safety Injection System，安全注入系統(tǒng)），EAS（Containment Spray System，安全殼噴淋系統(tǒng)），RCP，RCV等水壓實驗相關系統(tǒng)。為保證后續(xù)水壓試驗順利通過，考慮到閥門僅僅初步安裝和調試，并未實際使用，于是在整個項目過程中除重點解決表1所述問題外，還特別關注閥門控制回路接線、電機供電相序、電機選型、手輪嚙合等方面存在的問題。

2.2 測試結果統(tǒng)計

為方便直觀地考察2臺機組電動隔離閥的測試情況，將測試結果概括為6類。

（1）電控回路接線錯誤，包括力矩開關、限位開關、bypass、指示燈及相關觸點之間的連接線錯誤、控制邏輯設置錯誤等。

（2）電機供電或選型不當。

（3）閥門性能調整性問題，包括行程、密封力、填料摩擦力、指示燈、bypass開關等對應部件的設置和調整。

（4）一般性維修，包括除塵、閥桿部件除銹及潤滑、連接部位機械松動等。

（5）建議解體維修，包括解體電動頭（控制及顯示開關機械故障、手輪結構損壞、渦輪蝸桿裝配故障等）、解體閥體（結合打壓實驗結果確定是否解體，包括閥瓣密封面與閥座密封面受損或彼此貼合不嚴、閥桿劃傷等）、解體遠傳機構（機械摩擦力偏大、間隙過大等）。

（6）各項性能參數(shù)合格。

電動閥測試結果如圖1所示，在2臺機組中存在第一～第五類故障的閥門分別有27臺、48臺，占被測閥門總數(shù)的87.1%和81.4%，其中有些閥門同時存在多類故障；第三類故障即閥門性能調整性問題都最為普遍，表明初步安裝調試時對閥門關鍵參數(shù)（安全控制、密封性能參數(shù)）設置缺乏依據(jù)和標準；第2臺機組甚至在電控回路接線、電機供電相序等基本調試要求方面出現(xiàn)較多錯誤，第1臺機組相對較好。

圖1 某核電廠2臺機組電動閥測試結果

2.3 典型故障舉例分析

2.3.1 APA201VL內漏

APA201VL是楔形閘板閥，為DN500 mm閥體，配國產電動執(zhí)行機構。采用開限位開閥、關力矩關閥的控制方式。

現(xiàn)場測試曲線如圖2所示，閥門關閉時落座電流無明顯峰值，閥門開啟時拔出力明顯偏小，同時無對應的電流尖峰，實際行程較相同閥門小30 mm，據(jù)此判定雖然閥門關閉時最終密封力合格，但閥瓣未能正常楔入閥座，閥門存在內漏風險。在隨后的打壓試驗中，閥門出現(xiàn)內漏，診斷測試結論得到驗證，需要對閥體進行解體檢修。

對APA201VL進行解體檢修時，發(fā)現(xiàn)位于閥體上的閥瓣導向板底端有一凸臺，導向板出現(xiàn)明顯刮痕（圖3），結合凸臺與閥瓣相互作用的痕跡，可判定該閥瓣未能正確楔入閥座底部，導致閥門內漏，凸臺和刮痕還表明其加工非常粗糙。維修時，對導向板進行切削和打磨，消除了缺陷，回裝閥門各部件后，閥門工作正常，且打壓實驗中未出現(xiàn)內漏。

圖2 APA201VL閥門診斷測試曲線

圖3 APA201VL閥瓣導向板

2.3.2 RIS012VP卡澀

RIS012VP為1臺裝有遠傳機構的穿墻閥門，是國內某閥門廠生產的楔形單閘板閘閥，配國產電動執(zhí)行機構。

現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，RIS012VP運行不平穩(wěn)，電機啟動和停止時最為明顯，中間軸傳動出現(xiàn)卡澀，開關行程中平均摩擦力達12 000 N，遠高于（5337～6672）N的計算標準，開力矩開關在閥門開啟時連續(xù)動作并回彈3次，如圖4所示，而且未切斷電機電源，這給閥門控制帶來一定風險。對卡滯現(xiàn)象進行分析，判斷電動執(zhí)行機構與閥體連接座之間存在過度磨擦情況，需進行改造。

圖4 RIS012VP閥門診斷測試曲線

現(xiàn)場測試結果經過進一步討論，確認該類電動遠傳閥門過渡段與遠傳機構連接沒有考慮中間軸連接部分存在間隙，中間軸存在上下左右運動與外套摩擦損傷的問題，直接導致了機械摩擦力偏大。一致同意采用一個球軸承及一個圓錐滾子軸承來改造電動執(zhí)行機構與閥體連接組件，如圖5所示，利用圓錐滾子軸承承受了軸向力和徑向力，同時給中間軸進行定位，徹底解決過渡段中間軸上下及左右運動的問題，而且裝配和檢修都較簡單。

加裝軸承后，閥門運行非常平穩(wěn)，閥門開關行程平均摩擦力明顯減小，只有5500 N左右，表明中間軸的機械摩擦基本消除，測試值主要是填料摩擦力。同時開力矩開關動作及回彈現(xiàn)象消失，避免了控制風險。改造后的測試曲線如圖6所示。

圖5 連接組件改造示意

圖6 RIS012VP閥門加裝軸承后測試曲線

2.4 項目成效

2臺機組役前電動閥診斷測試項目過程中，對不同的電動閘閥和電動截止閥采取不同的診斷測試、調整、維修方法，使各種電動隔離閥都能在正確的邏輯控制下可靠地運行。經過實驗和運行驗證，項目主要取得以下成效。

（1）2臺機組機水壓實驗一次性通過，為機組投運發(fā)電奠定了良好基礎。

（2）建立了閥門初始性能和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，保存了各種測試數(shù)據(jù)，為后續(xù)測試和檢修提供有力依據(jù)。

（3）除診斷出閥門的各類“顯性”故障外，也準確地推斷了一些“隱性”故障，并在2臺機組商運后得到驗證。

2.5 項目特點及意義

2.5.1 系統(tǒng)化的在線測試

該項目對電動隔離閥進行了系統(tǒng)化的在線測試，在電動隔離閥開關過程中實時檢測閥桿軸向推力、電機電流、閥門控制（限位、力矩）開關設置點等關鍵參數(shù)，以及執(zhí)行機構力矩、閥門行程（取決于現(xiàn)場測試條件）、盤根摩擦力、電機功率等重要參數(shù)。所測參數(shù)可全面反映電動隔離閥控制邏輯、密封性能和動作性能，較傳統(tǒng)的單項參數(shù)測試有絕對優(yōu)勢，表現(xiàn)在2個方面。

（1）參數(shù)實時測試，既可以定點或定值分析，又可以進行閥門全行程曲線分析。

（2）各項參數(shù)同步測試，閥門全行程參數(shù)可進行綜合對比分析。

2.5.2 統(tǒng)一的評判標準

核電廠用電動隔離閥涉及國內外多家閥門廠，除本身設計和加工水平有差異外，各閥門廠還可能遵照不同的制造驗收規(guī)范，如俄羅斯OTT-87、法國RCC-M、美國ASME、中國能源行業(yè)標準NB/T 20010.9-2010和核島閥門通用技術條件0401T331等，這就使得不同閥門廠的同規(guī)格電動閥的出廠設置參數(shù)（如密封力）也不盡相同，對實際運行造成諸多隱患。對此，在診斷測試項目中依據(jù)美國電力研究院EPRI的閥門參數(shù)計算導則，在充分考慮閥門實際運行參數(shù)及不確定性的前提下，對不同類型電動隔離閥參數(shù)進行合理設置，保證其在正常工況及緊急情況下可靠地運行。

2.5.3 先進的閥門狀態(tài)管理

IAEA相關文件[1]已明確表示，核電廠設備維修策略由基于時間的預防性維修轉向基于狀態(tài)維修（Condition-based Maintenance，CBM）的趨勢越來越明顯。在建的三代核電AP1000機組對電動閥進行專項大綱管理，閥門從出廠就開始嚴格實施狀態(tài)管理。

電動隔離閥診斷技術的應用有效地降低了檢修過程中由人因導致的設備降質，避免了閥門誤修、漏修、過修，降低了維修成本，真正體現(xiàn)了CBM優(yōu)勢。同時役前調試期間建立了電動隔離閥初始狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和維修記錄，加上已有的閥門原始設計資料和后續(xù)的運行經驗反饋，為新電廠推行閥門狀態(tài)管理做了良好的開局，與先進的三代核電AP1000機組保持基本一致。

3 結束語

電動隔離閥診斷測試技術是一項多學科綜合的實用技術，應用于核電廠役前調試可以準確地診斷出電動隔離閥的各類“顯性”和“隱性”故障，建立電動隔離閥的初始性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。一方面驗證其運行性能參數(shù)符合原始實際、滿足系統(tǒng)運行需求；另一方面是為今后定期監(jiān)測閥門性能狀態(tài)變化提供參考依據(jù)，以便更有效地指導和管理閥門的各項維修活動，優(yōu)化電廠閥門維修策略，使閥門檢修工作真正成為CBM維修，同時這也符合美國核管會NRC要求運營核電廠必須執(zhí)行電動閥定期測試的規(guī)定。實踐證明，電動隔離閥診斷測試技術在核電廠役前調試中應用效果明顯，為核電廠的安全調試及后續(xù)運行奠定了堅實基礎，值得全面推廣。