重水堆核電站汽機(jī)主跳閘電磁閥故障分析與診斷

趙 宇，徐海心，湯志翔，黃 穎

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 31400）

汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能的重要系統(tǒng)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)效益。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中，主控室發(fā)出的電流信號(hào)通過(guò)電磁閥和伺服閥轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)閥位變化，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)包括主汽門(mén)調(diào)節(jié)、再熱門(mén)調(diào)節(jié)、汽機(jī)脫扣等功能。主跳閘電磁閥作為電氣控制與液壓控制的橋梁，其動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)液壓系統(tǒng)乃至整個(gè)汽輪機(jī)組的可靠性和壽命。

1 控制原理

如圖1 所示，汽輪機(jī)存在多種脫扣邏輯，包括現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制的機(jī)械式脫扣邏輯和電信號(hào)脫扣邏輯，兩種邏輯最終通過(guò)EHC 油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽氣閥、調(diào)門(mén)、再熱調(diào)門(mén)，主汽門(mén)、再熱主汽門(mén)的控制[1]。

圖1 脫扣邏輯及信號(hào)明細(xì)Fig.1 Tripping logic and signal details

主跳閘電磁閥由A 通道電磁閥和B 通道電磁閥串聯(lián)構(gòu)成，工作電壓為220VDC。正常狀態(tài)下，兩個(gè)電磁閥均得電?？刂朴? 支路通過(guò)閥體內(nèi)部孔徑，頂住閥芯，使控制油2 支路順利進(jìn)入油動(dòng)機(jī)。A 通道和B 通道同時(shí)失電動(dòng)作后，控制油1 支路通過(guò)閥體內(nèi)部孔徑，推動(dòng)閥芯回座，此時(shí)控制油2 支路被切斷，原油動(dòng)機(jī)中的油通過(guò)卸油回路排除，閥門(mén)失去動(dòng)力油后關(guān)閉。主跳閘電磁閥實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別單獨(dú)使A 通道電磁閥和B 通道電磁閥失電，此時(shí)不會(huì)使主閥芯動(dòng)作。油路圖如圖2 所示。

圖2 A電磁閥和B電磁閥失電后油路圖Fig.2 Oil circuit diagram of A and B solenoid valves after power loss

2 故障現(xiàn)象與分析

2.1 故障現(xiàn)象

主跳閘電磁閥故障主要表現(xiàn)為卡澀故障，最早出現(xiàn)在2007 年，截至2020 年兩機(jī)組累計(jì)出現(xiàn)故障11 次。在一次試驗(yàn)出現(xiàn)卡澀的情況下，第二次試驗(yàn)通過(guò)率為90.5%，第三次實(shí)驗(yàn)通過(guò)率為100%。

2.2 原因分析

2.2.1 電磁閥控制回路異常

對(duì)主跳閘電磁閥控制回路異常的可能性進(jìn)行分析，對(duì)回路上的PB 按鈕、位置反饋微動(dòng)開(kāi)關(guān)、中間繼電器及接線進(jìn)行檢查：PB 按鈕內(nèi)部有背燈，如背燈損壞或接線松脫，則電磁閥反饋信號(hào)無(wú)法傳遞給操縱員。經(jīng)測(cè)試背燈正常，說(shuō)明PB 按鈕接線牢固，功能正常；位置反饋的微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況不佳，觸點(diǎn)接觸不良，會(huì)造成燈回路不通，或開(kāi)關(guān)不到位。從每次大修對(duì)主跳閘電磁閥的檢查結(jié)果來(lái)看，微動(dòng)開(kāi)關(guān)外觀及接線良好，動(dòng)作靈敏，開(kāi)關(guān)閉合后的電阻值只有0.5Ω，接觸很好，如圖3 所示。微動(dòng)開(kāi)關(guān)自大修后未進(jìn)行調(diào)整，且部分試驗(yàn)主跳閘電磁閥一次合格。同時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)故障一般是不可逆缺陷，因此可以排除微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作失效的可能性。

主跳閘電磁閥的控制是由多個(gè)中間繼電器構(gòu)建的，因中間繼電器設(shè)計(jì)為常失電狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)繼電器得電驅(qū)動(dòng)電磁閥回路斷電動(dòng)作，如：繼電器觸點(diǎn)出現(xiàn)粘連，則電磁閥會(huì)持續(xù)無(wú)法釋放，顯然與主跳閘電磁閥偶發(fā)故障表現(xiàn)不符，排除中間繼電器失效可能性；電磁閥接線出現(xiàn)松脫，則電磁閥會(huì)表現(xiàn)為在試驗(yàn)和非試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)均有可能出現(xiàn)掉電情況，而導(dǎo)致電磁閥本體異常動(dòng)作。經(jīng)檢查電磁閥接線緊固，無(wú)松動(dòng)。通過(guò)驗(yàn)證與分析認(rèn)為，控制回路異常不是導(dǎo)致主跳閘電磁閥卡澀故障的要因。

2.2.2 A/B通道電磁閥性能降級(jí)

對(duì)電磁閥本身性能下降的可能性進(jìn)行分析。電磁閥閥芯出現(xiàn)銹蝕——微動(dòng)腐蝕。雖然電磁閥本身在較長(zhǎng)時(shí)間是不動(dòng)作的，但是由于系統(tǒng)本身的振動(dòng)，閥體和閥芯之間持續(xù)輕微地振動(dòng)和往復(fù)位移，有可能造成微動(dòng)腐蝕而引起電磁閥動(dòng)作卡滯。解體檢查過(guò)程中，閥芯上未能夠觀察到表面上的腐蝕變化，閥芯光潔度良好，由此認(rèn)為閥芯未出現(xiàn)微動(dòng)腐蝕。電磁閥本身的性能指標(biāo)超標(biāo)，性能指標(biāo)包括線圈電阻、絕緣電阻、換向時(shí)間、內(nèi)泄漏量檢查，詳見(jiàn)表1。

表1 電磁閥性能檢查記錄表（專(zhuān)業(yè)臺(tái)架試驗(yàn)值）Table 1 Record of electromagnetic valve performance inspection (professional bench test values)

從表1 可以看出，閥門(mén)性能指標(biāo)良好，A/B 通道電磁閥性能降級(jí)不是導(dǎo)致主跳閘電磁閥卡澀故障的要因。

2.2.3 EH油中的異物或油泥

在206 大修前，某機(jī)組主跳閘電磁閥A 多次出現(xiàn)卡澀狀況，對(duì)電磁閥進(jìn)行解體后，看到主跳閘電磁閥A 側(cè)閥芯上存在明顯油泥，無(wú)劃痕，如圖4 所示。

圖4 主跳閘電磁閥拆解圖片F(xiàn)ig.4 Disassembled image of the main trip solenoid valve

經(jīng)過(guò)清洗后，主跳閘電磁閥卡澀情況消失，故確認(rèn)油泥物質(zhì)是造成卡澀的要因。

為探究油泥產(chǎn)生的原因，對(duì)EH 油歷史采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了化學(xué)分析。結(jié)合歷年數(shù)據(jù)來(lái)看，EH 油中水分含量一直維持在較好水平，但漆膜指數(shù)[2]（此指標(biāo)表為新指標(biāo)，之前未檢測(cè)）數(shù)據(jù)一直維持在較高水平。漆膜指數(shù)反映了油體在設(shè)備表面形成可見(jiàn)油膜的能力，數(shù)值與成膜能力正相關(guān)[3]，認(rèn)為此指標(biāo)可能是導(dǎo)致油泥產(chǎn)生的原因。其次，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后，這種結(jié)果的變化可能導(dǎo)致生成一些大分子的結(jié)構(gòu)，聚合沉積形成膠狀油泥在閥芯上導(dǎo)致卡滯。這種分子結(jié)構(gòu)的變化由于本身并沒(méi)有和油的顏色上的區(qū)別，實(shí)際上是一種亞微米級(jí)的溶解狀態(tài)，常規(guī)的顆粒計(jì)數(shù)無(wú)法檢測(cè)到，此情況也是形成油泥的成因之一。最后，EH 油的置換工作也可能導(dǎo)致油泥產(chǎn)生，新、舊EH 油的置換工作無(wú)法確保管道中的所有殘油和管壁上附著的油泥被置換出來(lái)，而由于新油和舊油的溶解度不同，反而會(huì)加速油泥的析出。雖然，后續(xù)使用濾油機(jī)進(jìn)行了濾油，但是EH 油系統(tǒng)管道比較長(zhǎng)，主跳閘電磁閥處于管道末端，管道附著的油泥和雜質(zhì)在閥芯處聚集導(dǎo)致卡澀，同時(shí)現(xiàn)有系統(tǒng)上的濾油機(jī)只能濾除水分。

3 卡澀原因總結(jié)與后續(xù)方案

3.1 卡澀原因總結(jié)

綜上所述，EH 油中存在的油泥是造成卡澀的直接原因[4]。而產(chǎn)生油泥的促成原因可以分為以下幾點(diǎn)：

1）油中顆粒雜漬等不潔物粘附在系統(tǒng)設(shè)備、回路管線內(nèi)面、管道連接槽溝等處，沒(méi)能及時(shí)被沖洗凈化，造成滑閥動(dòng)作不暢。

2）主跳閘電磁閥區(qū)域的油流量小，不常流動(dòng)，內(nèi)部滑塊與滑膛間有微量間隙，時(shí)刻都有微量滲油，微量間隙阻礙了通流油中油泥類(lèi)雜漬順利下排，會(huì)越積越多。

3）主跳閘電磁閥區(qū)位溫度高，散熱不良，加劇了滑閥內(nèi)油質(zhì)劣化故障。

4）控制油長(zhǎng)期投用，局部過(guò)熱、劣化生成的油泥類(lèi)物質(zhì)沒(méi)能及時(shí)消除，日久積多；主跳閘電磁閥內(nèi)油不常流動(dòng)且閥芯溫度較高，更加速了油泥產(chǎn)生和析出，增大了滑閥卡澀可能性。

5）主跳閘電磁閥不經(jīng)常動(dòng)作，更增大了油泥粘附后的滯阻效應(yīng)。

以上所列原因中，油品劣化后沒(méi)有得到有效抑制和再生是問(wèn)題關(guān)鍵。

3.2 后續(xù)方案

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際技術(shù)條件

目前，控制油系統(tǒng)采用機(jī)組配套的過(guò)濾系統(tǒng)，即油箱體外配有硅藻土過(guò)濾器和后備過(guò)濾器回路；供油回路（供油泵出口管線上）配有控制顆粒度細(xì)過(guò)濾器，油箱上安置兩組呼吸過(guò)濾器。其中，硅藻土過(guò)濾器僅對(duì)控制油的酸值具有一定效果，當(dāng)油的電阻率低，顏色變深或老化產(chǎn)生油泥時(shí)，硅藻土過(guò)濾器就無(wú)法解決這些問(wèn)題。

硅藻土后的過(guò)濾器及供油回路（供油泵出口管線上）配有的過(guò)濾器主要是過(guò)濾油中的機(jī)械雜質(zhì)，保持控制油的清潔度，但硅藻土只能除去強(qiáng)酸，去除不了弱酸、烷基酚及烷基酚的降解產(chǎn)物（軟性污染物），并且它還會(huì)釋放可溶的金屬離子到EH 油中從而與強(qiáng)酸、弱酸反應(yīng)形成金屬皂膠質(zhì)物。

通過(guò)上述分析可以看出，本廠控制油目前存在的主要問(wèn)題是硅藻土再生存在缺陷，無(wú)法對(duì)油質(zhì)進(jìn)行徹底再生，恢復(fù)油質(zhì)。EH 油維護(hù)的首要目標(biāo)是要去除使用過(guò)程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)（強(qiáng)酸、弱酸、烷基酚，包括油泥等老化產(chǎn)物）并盡力降低酸性物質(zhì)的產(chǎn)生[5]。

此外，現(xiàn)有供油單元仍具有一定的清潔控制油的能力，能夠滿足正常工況和新更換油短期內(nèi)控制油系統(tǒng)的需求，一旦出現(xiàn)異常情況，供油單元清潔油質(zhì)能力不足就突顯出來(lái)。這種情況就需要一種處理容量大、功能齊全的裝置快速清潔控制油，減小原濾油裝置負(fù)載，提高處理效果和速度。在原供油單元的油箱外加裝一套抗燃油分子極性吸附再生脫水裝置，在油質(zhì)異常情況或需短時(shí)間提高油品（大修）時(shí)，投運(yùn)該裝置，不會(huì)干涉控制油其它設(shè)備運(yùn)行。

3.2.2 擬解決的實(shí)際問(wèn)題

通過(guò)變更增加濾油設(shè)備，及時(shí)去除控制油中的老化產(chǎn)物，進(jìn)一步減緩油品劣化趨勢(shì)，增強(qiáng)流入系統(tǒng)中油的析溶能力（有助于析出、清理沉積在管道、冷油器管束等體面的膠質(zhì)性污染物），降低控制油的漆膜傾向指數(shù)，擬解決如下幾項(xiàng)主要的實(shí)際問(wèn)題：①減輕或消除油泥導(dǎo)致電磁閥、伺服閥卡澀的問(wèn)題；②減輕或消除運(yùn)行期間老化產(chǎn)物導(dǎo)致控制油泵出口過(guò)濾器堵塞的問(wèn)題，規(guī)避運(yùn)行期間更換濾芯的高風(fēng)險(xiǎn)；③維持漆膜生成傾向指標(biāo)MPC 在《化學(xué)控制手冊(cè)》要求的正常范圍，減少或避免機(jī)組運(yùn)行期間執(zhí)行體外濾油工作，降低材料和人力成本。

3.2.3 變更設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述

首先，選擇一種可以徹底除去油中全部劣化產(chǎn)物（如油泥等）的濾芯來(lái)替換硅藻土濾芯。這樣既不改變?cè)瓉?lái)的系統(tǒng)設(shè)置，又能實(shí)現(xiàn)油質(zhì)的徹底再生。該方案的關(guān)鍵技術(shù)就是選擇可以替換硅藻土的濾芯，考察、調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由FLUITEC 公司開(kāi)發(fā)研制的一種樹(shù)脂濾芯（型號(hào)CC-ESPFLTR-PE-KIT-ZXCO，可完全替換ST718 -00-03ZXCO），可有效將油中強(qiáng)酸、弱酸、烷基酚、金屬離子等都除掉。該濾芯內(nèi)裝Endure IX 特種樹(shù)脂，該特種樹(shù)脂為顆粒尺寸幾毫米（1mm ～7mm 不等）的小球，具合適的極性，可以從內(nèi)部到表面選擇性吸附吸收EH 油的水解、劣化等所有降解產(chǎn)物，吸附吸收效果好，且不釋放任何副產(chǎn)物到EH 油中，濾芯的更換基于烷基酚的變化（ASTM D6971，LSV 線性伏安法RULER 檢測(cè)，200μl 的油樣，綠標(biāo)萃取液，更靈敏，可檢測(cè)100ppm 以下的烷基酚），而不是酸值，是真正可以彌補(bǔ)目前抗燃油維護(hù)中缺失的一環(huán)的技術(shù)。使用該濾芯維護(hù)油質(zhì)，配合主動(dòng)防水除水裝置可維持油質(zhì)始終保持在新油水平，所以擬采用該濾芯替換原系統(tǒng)中的硅藻土濾芯。

然后，選擇一種既可以將原有控制油中的水分去除，又能夠防止大氣中的水汽通過(guò)呼吸口進(jìn)入控制油箱的方法。可以主動(dòng)防水并除水，達(dá)到從源頭上抑制水分即抑制控制油降解的目的。考察、調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由FLUITEC 公司研制的一個(gè)既簡(jiǎn)單又有效的方案來(lái)去除EH 油里的水分，即安裝使用WRIPEHC 設(shè)備，它可以長(zhǎng)期維持EHC 系統(tǒng)的水分含量在250ppm 或更低的水平，阻止磷酸酯水解，延長(zhǎng)磷酸酯和酸清除過(guò)濾器的壽命。WRIPEHC 系統(tǒng)通過(guò)接入儀表壓空氣源并對(duì)氣源進(jìn)行過(guò)濾、清潔、干燥，以干燥清潔的氣體吹掃EH 油箱的頂部。該低壓氣體吹掃油箱頂部時(shí)完成兩項(xiàng)重要任務(wù)，即一方面可以利用濃度平衡原理吸走控制油中的水分，另一方面可以同時(shí)阻止其他污染物（空氣中的粉塵、沿?？諝庵械柠}離子）進(jìn)入控制油中，從而保持控制油的清潔和干燥。該系統(tǒng)不需要通電且沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，不與控制油接觸且基本不用保養(yǎng)。

3.2.4 變更實(shí)施效果

在加裝抗燃油分子極性吸附再生脫水裝置和亞微米級(jí)凈化系統(tǒng)設(shè)備后，在線對(duì)控制油進(jìn)行連續(xù)24h 濾油，此活動(dòng)持續(xù)了3 個(gè)月，控制油品質(zhì)通過(guò)此次濾油有了顯著提高，具體表現(xiàn)在：控制油的酸值，從原來(lái)的0.12 下降到0.01 以下；控制油的水分由原來(lái)的500ppm 下降到400ppm；控制油的電阻率從原來(lái)的1.46 提高到4.6。這些指標(biāo)是當(dāng)前技術(shù)能夠定量化驗(yàn)的化學(xué)指標(biāo)?？刂朴偷挠湍嘣跒V油以后，沒(méi)有化驗(yàn)出來(lái)。從系統(tǒng)狀況來(lái)看，控制油的油泥也有效地進(jìn)行了去除。

在207 大修期間使用該裝置連續(xù)濾油半個(gè)月，控制油顆粒度達(dá)到NAS3 級(jí)（NAS5 合格），控制油的水分達(dá)到211.34ppm。濾油效果明顯，濾油速度快。

從控制油系統(tǒng)上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看，汽輪機(jī)主跳閘電磁閥截止當(dāng)前無(wú)卡澀情況出現(xiàn)，系統(tǒng)上其它的伺服閥運(yùn)行穩(wěn)定，也沒(méi)有出現(xiàn)故障；從化學(xué)指標(biāo)來(lái)看，控制油品質(zhì)明顯上升，達(dá)到預(yù)期的效果。