基于核電站氣動閥診斷檢修技術的探討與應用

黃佳平

(中核檢修有限公司,浙江 海鹽 314300)

氣動閥門在核電站系統中被大量的使用, 作為工藝控制設備, 氣動閥的在核電站的運行中起著非常重要的調控作用。氣動閥門性能的好壞直接關系到核電站是否能安全有效的運行，是否能正常開展生產作業。為此，核電站每年在停堆換料期間都會執行機組大修，這其中就包含了對各個系統的氣動閥檢修作業，期望通過正確而有效的預維護和檢修,保障閥門的使用性能。核電站在以前對氣動閥門檢修的策略以“保守為主”，即在氣動閥門發生故障前不執行預維護， 是一種被動的維修策略，維修的方式則是解體更換備件等方法，效率低下。目前，隨著科學技術的不斷提升，能夠運用到核電站氣動閥診斷檢修的軟硬件設備日趨成熟，使閥門診斷檢修技術在核電站大修期間的氣動閥的檢修過程中發揮著巨大的作用，特別是能和定位器配套使用的相關診斷設備，使得此項工作化繁為簡。

1 氣動閥檢修現狀

1.1 氣動閥的原理及結構

核電站的生產作業是由成千上百個控制回路組成的，每一個控制回路都經過設計以保證重要的過程變量如壓力、流量、液位、溫度等不超過要求的工作范圍。每一個回路都會接受并從內部產生擾動[1]，這些干擾會影響系統，因此氣動閥作為一種終端控制元件用于調節流體(氣體、蒸汽、水或化學混合物等)以補償負載擾動。驅動控制閥的能量來自于壓縮空氣的為氣動閥，它由閥體、閥內零部件、提供閥門操作驅動力的執行機構、以及閥門附件組成，閥門附件包括定位器、轉換器、供氣壓力調節器、手動操作器、阻尼器或限位開關，其結構示意圖如下圖1所示：

圖1 常見氣動閥的執行機構及部分附件圖

1.2 氣動閥檢修的問題

核電站的氣動閥存在各個生產系統之中，控制的流體不同，使用的頻率相差很大，但有一個共同點，即對出現擾動的情況時能馬上消除擾動，將系統的工作狀態調整至設定值，因此氣動閥的靈敏度必須高、安全性能必須好。為了達到以上目的，核電站在大修期間，會對部分氣動閥進行檢修，結合近幾年的檢修工單來看，氣動閥容易出現的問題主要是閥門無法落座到位，閥門響應時間滯后，閥門的內漏參數超標，閥桿行程不精確等。盡管通過有策略的更換備件能解決部分問題，但在回裝閥門后驗證維修效果時出現的新問題卻難以判斷是什么原因引起，更缺少具體化的數據作為判斷依據，尤其是閥內件的運行狀態，更是難以掌握，因此，引入閥門維修前后的診斷檢修技術十分有必要。

2 氣動閥診斷檢修技術的介紹

核電站使用的氣動閥診斷檢修技術主要依靠一套較為成熟的氣動閥檢修診斷裝置，該套裝置包含了對應的計算機軟硬件、傳感器、操作器等，使用時通過傳感器或定位器采集閥門的整體運行參數，在專業軟件上顯示并可實現編輯參數以調整閥門的運行狀態，再通過技術人員對設備的調校后采集新數據，并重復試驗驗證閥門運行效果，最終使其滿足相關要求。閥門診斷維修的流程如圖2。

為方便理解診斷裝置及檢修技術在實際過程中的應用，以下將選擇常用的一種氣動閥診斷工具作介紹。這是一種適合艾默生的FISHER牌定位器一起使用的專用診斷裝置，計算機使用windows操作系統，操作軟件為Valvelink，采用的數字信號為HART通訊協議。使用時接線如下圖3所示，將數據線連接計算機和接線盒的HART數據接口，通過內部線路板連接閥門定位器，同時，通過控制診斷軟件采集閥門的行程、閥桿摩擦系數等數據后，調節閥門行程增益等參數，再依靠眾多定位器的數據和科學的邏輯運算，可得出準確的診斷結果。

圖2 閥門診斷維修的流程

圖3 氣動閥使用在線診斷工具連接原理圖

3 氣動閥診斷工具的應用

在檢修核電站大氣釋放閥(以下簡稱ASDV)時，該閥尺寸大、壓力等級高(6in/CL600)，閥門所屬系統為主蒸汽系統，而該閥門的作用是作為在汽輪機凝汽器不可用的時候，可用于排放蒸汽，在特殊時候可作為核電站的熱陷，由此可見，該類氣動閥的檢修效果非常重要。因此，對大氣釋放閥的檢修主要按閥門維修前診斷，閥門解體維護，閥門定位器校準，維修后診斷、在線試驗等步驟進行。其中，對閥門的診斷工作將貫穿于整個檢修過程，并將作為閥門檢修成功的主要驗證方法，閥門的診斷可按以下方式逐一展開。

3.1 閥門狀態的全面掃描

在進行ASDV的解體檢修前，先對閥門的彈簧預緊力、閥桿行程、填料狀況、閥座狀況、閥座關閉力等各項參數做一次全面的診斷，以掌握閥門維修前的運行狀況，查看是否有明顯的故障表現，為解體檢修提供數據支持，其診斷特征圖如下圖4所示。

在進行閥門診斷后，我們發現從行程壓力(Actuator pressure)、閥門行程(Travel)、輸入值(Input)、驅動信號(Drive Signal)可以判斷閥門在運行過程中的問題。在數據分析欄中，閥門動態誤差的平均誤差(Avg.Dynamic Error)實際值為5.14%，超過了5%的安全值，說明閥門在走上下行程時有較大的波動，這將影響閥門運行的局部穩定性。

隨后觀察閥門在進行上下行程時產生的行程壓力回程差(上行程-下行程)，除了在全關處差的差值較大外，其余基本穩定在較小值，說明閥門運行過程總體穩定、順暢。

全面掃描數據分析完成后，對其他參數進行分析，查看是否有問題，這臺ASDV在做階躍響應(Step Response)測試時出現了問題，查看測試響應圖5。

圖4 檢修前閥門診斷掃描結果

圖5 維修前閥門階躍響應測試診斷圖

觀察上圖的數據表發現，閥門在上行程閥位0%、下行程閥位75%、50%、25%處有超調現象(Overshoot)，在測試圖上明顯能看出(圓圈標記處)實際運行過程中該閥門的行程超調值百分比各為4.85%，6.59%，4.97%，5.62%，均值超過標準值(5%)，雖然在全關處閥位在標準值范圍內，但作為蒸汽系統需要精確控制的閥門，超調勢必影響閥門行程的準確定位，需修復。

3.2 根據診斷結果的閥門維修調校

基于維修前的診斷結果，在對ASDV做檢修前的診斷完成后，結合維修策略，對閥門的調校按閥門本體和執行機構兩部分做調校檢修作業。

(1)本體檢修方面，按照維修策略，對閥門進行填料更換工作，更換法蘭墊片，清理修復閥芯閥座組件、清理閥桿閥塞組件、執行閥門密封試驗。以上工作可解決閥座關閉力不足、閥桿摩擦力過大引起的動態誤差過大現象，同時使閥桿運行順暢，閥門內漏等參數符合核電站的規程要求。

(2)執行機構檢修方面，在閥門離線狀態下，對閥門做定位器校驗，按照校驗單將電流信號發生器連接至接線盒的通訊端口，用電流信號發生器向閥門定位器發送信號，按照閥門標定單依次輸入4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20mA、16 mA、12 mA、8 mA、4mA 的電流值，觀察閥門上的位置指示是否準確移動到相對應的行程刻度0%、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0%處，結果如表1。因該ASDV閥門的標定精度要求為5%，查下表可知，閥門的行程符合要求。

表1 氣動閥執行機構診斷后校驗數據表

在完成以上兩項調校步驟后，雖然閥門的行程滿足了要求，但是在其他方面，如閥桿摩擦力、閥座落座情況、閥門相應仍需通過進一步確認，所以使用診斷工具進行維修后診斷十分必要。

3.3 閥門維修后的診斷調校驗證

在對氣動閥進行維修調校后，閥門處于最佳的功能性狀態，需通過診斷工具對閥門的運行進行測試，參照維修前的診斷模式，掃描閥門的工作情況，具體結果如下圖6所示。調校維修后，閥門的動態平均誤差已保持在5%以內，符合要求。閥門行程壓力、閥門行程及閥門的驅動信號和輸入信號的對應關系符合標準，未出現明顯波動。

最后，通過階躍響應(Step Response)測試觀測閥門在運行過程中出現的數據是否滿足要求。因在維修前進行診斷發現閥門的定位器響應系數為H，增益為8.4，響應速度為4.2時，出現了閥門的超調現象，本次測試將增益值降低為6.0，同時提高響應速度為6.0，如圖7，再運行閥門時，發現超調均值已從5%降低到0.2%，滿足系統對閥門性能的要求。

使用閥門診斷工具后，在維修閥門的過程中，幫助技術人員掌握閥門的運行參數，及時調整維修校準方向，解決閥門出現的問題，非常快捷、實用。

圖6 檢修后閥門診斷掃描結果

圖7 維修后閥門階躍響應測試診斷圖

4 閥門診斷技術的局限性

閥門診斷技術雖然可以方便的輔助技術人員進行閥門維修，可是由于閥門和定位器的品牌種類不一而同，需要依靠對應的閥門診斷工具來實現診斷，否則所測得的數據將毫無實際意義；閥門診斷工具的開發周期較長，價格昂貴，且需操作者據有一定的技能才能熟練使用。當然，以上的局限性并不妨礙閥門診斷技術成為今后核電站氣動閥檢修的有效技術手段。

5 結束語

本文探討了核電站氣動閥的維修現狀和問題，結合現有的診斷檢修技術，采用艾默生公司旗下FINSHER的VALVELINK軟件作為診斷工具對核電站的大氣壓力釋放閥ASDV進行測試，解決了閥門超調等故障內容。閥門診斷檢修技術是現代閥門檢修技術的發展和延伸，它能使閥門的檢修時間大幅縮短，檢修的結果有所依據，可廣泛運用于各個場合的氣動閥，值得推廣。