毒物注入閥故障診斷與改進

王曉峰

（中核核電運行管理有限公司維修五處，浙江海鹽 314300）

0 前言

氣動閥是核電站的常用設備，不僅數量多，而且在系統運行中起著重要作用。秦三廠引進的AOV（氣動閥門）診斷裝置，通過測量氣動閥及主要附件的特征參數，診斷氣動閥及附件的調節性能，密封性能、動態響應能力等方面的性能是否滿足設計要求，判斷氣動閥在運行一段時間后的降質情況，為后續制定氣動閥維修維護計劃提供依據。

1 AOV診斷裝置

AOV（Air-operated Valve）診斷裝置是校驗和測試氣動閥門的便攜式數據采集系統。主要用于閥門設計數據的校驗；閥門的行程、位置開關、閥桿和填料力矩的調節；I/P和定位器的校驗；閥門故障的診斷等。AOV診斷系統由便攜式數據采集單元、配有多通道信號采集模塊的主機和便攜式電腦3部分組成（圖 1）。

圖1 AOV診斷裝置

AOV診斷裝置使用過程中，根據需要測量的參數類型選用不同的數據采集元件和相應的信號采集模塊，將處理過的信號送入便攜式電腦，經過專門的軟件分析、計算，最終得到需要的數據和曲線，并可以對圖形進行注釋、編輯，如圖2所示。系統采集數據量大、精確度高（數據可以精確到小數點后3位）、圖形的繪制全部由電腦自動完成，具有測量數據準確、數據分析方便，圖形簡潔美觀等特點。

2 毒物注入閥工作原理

秦三廠2#停堆系統是重水堆特有的停堆系統。6個毒物注入閥的作用是當主控室發出停堆信號后，用氦氣貯存箱內的高壓（≥7.88 MPa）高純氦（99.999%）將 6個毒物罐（約500 L）內的硝酸釓（GdNO3）重水溶液（正常濃度＞7.1×10-3），即所謂的“毒物”快速壓入反應堆芯內，以迅速終止鏈式反應、降低反應堆功率水平,達到停堆的目的。

圖2 閥門性能測試曲線

圖3 快速排氣閥結構示意

毒物注入閥氣缸頂蓋配有5個快速排氣閥（圖3）用于快速進氣、排氣?？焖倥艢忾y在電磁閥得電時，進氣管線中的的壓力大于氣缸內部壓力，儀表壓空通過電磁閥進入快速排放口的入口經出口到閥門氣缸，壓縮彈簧使閥門關閉。電磁閥失電時，進氣管線中的壓力小于氣缸內部的壓力，電磁閥先將快速排氣閥入口到電磁閥的儀表壓空管中的氣排空，閥門氣缸的儀表壓空通過快速排氣閥出口往排放口排氣，不再通過電磁閥排出氣缸的氣，彈簧復位使閥門打開，達到快開的目的。

3 問題

現場調試中發現閥門開閥時間不能滿足設計要求（＜140 ms）。利用AOV閥門診斷裝置對閥門的行程開關設定在行程的95%和5%，對閥門進行測試，時間均未達到要求。分析廠商提供的閥門圖紙中的快開式特性曲線（圖4），將閥門的位置開關和閥門行程進行精確設定（圖5），當閥門開到88%時，閥門的流量已接近最大，與行程開關設定在95%時的流量基本一致，因此將閥門的位置開關設定在行程的88%和5%，數次時間測試均未達到設計要求。

圖4 閥門流量曲線

圖5 行程和位置開關的設定

4 原因分析及改進方法

4.1 毒物注入閥氣動頭排氣速度過慢

（1）原因分析?？紤]到機組的安全運行，毒物注入閥被設計成失效安全的“失氣開”，即通過氣動頭快速排氣打開毒物注入閥，因此，排氣速度直接影響毒物注入閥的開啟時間。排氣時雖然設計有5個快速排氣閥，但它們的連接方式是串聯，各個快速排氣閥排氣量的分配存在很大差異，未能各盡所能。毒物注入閥氣動頭最初的排氣設計是電磁閥安裝在閥門的側面，與最近的快速排氣閥連接管線也有近1 m的距離，由于電磁閥與5個快速排氣閥的距離不同，快速排氣閥入口的壓空排空時間不一致，導致5個快速排氣閥動作時間不一致，進一步增加了閥門的開閥時間。在圖6中的B點和A點處各接入1個壓力傳感器，分別測量2點的壓力下降速度，測試結果顯示A點的壓力降低速度略滯后于B點。因此認為閥門開啟緩慢是由于排氣口單一，5個排放口進氣管線中的余氣不能很快從電磁閥同時排出造成。

（2）改進方法。為減少電磁閥的放氣時間和使5個快速排氣閥同步動作。改進閥門進/放管布局（圖7）。在氣動頭上方安裝了1個爪形的氣路分配器，從分配器均勻引出5個排氣支管，使5個快速排氣閥連接方式變成并聯安裝。把電磁閥放到閥門的正上方，使電磁閥離5個排放口的距離均在40 mm左右，與電磁閥和各排氣口相連的管線長度相同，保證閥門開啟時，進/排氣管線中的氣體從電磁閥排氣口排出速度基本一致，進一步減少氣體在排氣管線內滯留的時間，即減少了閥門的開啟時間。5個快速排氣閥同步動做，將閥門氣缸里的氣體迅速排空，開閥時間在150 ms左右，雖未達到設計要求，但大幅縮短了開閥時間。

故障排查時還發現原來的排氣管用割管器切割后，沒有很好的去“毛刺”。一般情況下，小毛刺對氣體的阻力可以忽略，但以毫秒級計算閥門開啟時間時，阻力的影響不應忽略不計。根據流體動力學可知，流體經過一個障礙物后會形成旋渦，速度很快時，氣旋對流速的影響相應增大。因此，在安裝新排氣管線時，特別注意去毛刺清理的工作，盡可能的減少開閥時間。

圖6 改造前閥門氣缸

圖7 改造后閥門氣缸

圖8 彈性斜率計算方法圖

4.2 氣動頭內彈簧的彈性斜率偏小

（1）原因分析。重新布置氣源管線后，根據圖8測量氣動頭內彈簧的彈性斜率，彈簧彈性斜率SR=Slope×Aeff。其中Slope為最小二乘擬和曲線斜率，Aeff為氣動頭有效面積。計算結果顯示彈簧的彈性沒有達到規定值±20%的范圍，彈性低會影響閥門的動作速度，彈性大會造成氣動頭的有效面積發生變化、彈簧過壓而損害閥門。

（2）改進方法。閥門氣缸彈簧加3.5 mm厚的墊片，增加彈簧的彈力，使彈簧復位時彈性勢能增大，在摩擦力不變的情況下，閥門動作更加迅速，減少了閥門的開啟時間。改進完成后，對閥門進行多次測試，測試結果顯示，原來的彈簧的彈性系數偏小，彈簧形變量產生的彈性勢能偏小，導致閥門開啟速度慢，對同一個閥門而言，表現為閥門開啟時間偏長。

根據牛頓第二運動定律、彈簧彈力公式以及速度公式，推導得出閥門從全關到全開所需時間的簡化算式其中，k是彈性系數，x是彈簧伸長或縮短的長度。

圖9為不同彈簧的行程變化曲線，從中可以看到彈簧伸長或縮短長度x形變量的絕對值越大，產生的彈力就越大，相應的閥門開閥的時間就越短。其次是提高彈簧彈性系數k，可使閥門開閥的時間減小。因此，閥門更改不僅需要更改進/排氣管線的布局，也需要更換彈性系數更大的彈簧。最終用彈性系數大的彈簧替換了原來的彈簧，后經驗證，這一改進加快了毒物注入閥的開啟速度。

圖9 不同彈簧的行程變化曲線

4.3 毒物注入閥填料函力矩過大

（1）原因分析。在閥門診斷中發現，毒物注入閥出廠時的填料函力矩比維修手冊的規定值高出數倍，這意味著閥門動作時要克服更大的摩擦力，這也會使得閥門動作相應變慢。從圖10分析氣動閥動作時的受力過程和圖11公式測量閥門摩擦力，將整個閥門簡化為一剛體，假設閥門勻速運動，各力平衡，設+F表示向下壓力，-F表示向上拉力，則閥門在密封位置時，∑F=0。即 Facttop-Fspring±Ffpkg-Ffseal±Ffguide-F不平衡力=0。式中 Facttop是氣缸輸出力，Fspring是氣缸彈簧彈性阻力，Ff-pkg+Ffguide是閥門運動過程中受到的各種摩擦力，摩擦力主要包括填料摩擦力、閥桿與氣動頭軸套的摩擦力，閥芯和閥座的摩擦力等。在氣動閥正常工作時，大部分為填料摩擦力，Ffguide是閥門關閉時閥芯對閥座所加的密封力，F不平衡力是閥門上下油壓不同產生的不平衡力。

圖10 閥門受力

圖11 摩擦力計算方法

（2）改進方法。運用閥桿受力平衡公式，測量摩擦力應滿足制造商規定摩擦力水平的 ±25%，摩擦力太高將導致閥門內漏，還會影響閥門響應時間、靈敏度、分辨率和閥門實際行程大小，摩擦力太低意味著閥門存在填料泄漏的危險。根據圖11，閥門處于位置D的摩擦力Ffi=Pdelta×Aeff/2。式中Pdelta是閥門處于位置D時開關行程氣動頭壓力差，Aeff是氣動頭有效面積。經多次確認后，將填料函力矩調整為正常值。

4.4 閥桿應力的測量

在增加了氣缸內彈簧彈性系數后，通過測量閥桿的應力來分析閥門是否完全關閉。通過AOV診斷設備對毒物注入閥閥桿應力進行檢測，如圖12所示，當閥門處在完全關閉位置時，閥桿會受到氣缸內彈簧形變時施加的應力（A點）而發生橫向形變。當閥門開啟時，氣缸內彈簧復位，施加在閥桿上的應力消失（B點），閥桿恢復形變。這一轉換過程通過直行程閥桿應力傳感器記錄為圖12中A點到B點的轉換過程。如果閥門沒有完全關閉，即使閥桿受到氣缸內彈簧在形變時施加的應力也不會產生橫向形變，也就得不到圖12中的曲線。這時判斷閥門是否完全關閉的主要依據。由測試數據和曲線可知，閥門開關過程中閥桿運動平穩，未出現卡滯現象。閥門關閉時閥瓣落座，密封力滿足V級密封要求。

圖12 閥桿應力曲線

5 改進實施效果

綜合以上試驗和診斷結果，對閥門做如下改進（最終設計）：①改變閥門的氣源管線布局。②將彈簧換成彈性更大的。③減小閥門的填料函力矩。④處理干凈氣源管線中的毛刺。閥門改進后，用電站DCC系統中的CI報警（可測量閥門開啟信號觸發到全開的時間）對閥門進行測試，所有閥門開啟時間＜140 ms，滿足系統設計要求，保證了反應堆的安全可靠運行。