AP1000三門核電站電動閥診斷方法介紹

韓 杰

（三門核電有限公司，浙江臺州317112）

0 引言

1980年以來，在核電廠安全運行報告中出現了相當數量的有關電動閥門可靠性和安全性的事件報告。三哩島核事故后，美國電力研究院在杜克能源公司設立了一個研究項目，最早使用應變片來測量閥門的執行情況，檢測結果表明，大約3/7的閥門在模擬測試時被發現不能夠關死。1985年，美國核管會連續發布了85-03號、89-10號、96-05號公報，要求核電廠建立或修改程序，定期確認核安全相關閥門在正常工況和異常工況下都能夠實現所需的安全功能。

AP1000的核島系統由美國西屋電氣公司設計，在設計、制造、調試和運行等方方面面都引入了美國核電標準，為遵循美國核管會的法規要求，在調試和運行期間，核安全相關的電動閥需要進行診斷測試以確認其能實現所需的安全功能。

1 電動閥設定值計算

電動閥設定值的計算，主要是計算關閥所需最小推力和開閥需要的最小拔出力，一方面用于評估電動頭的輸出扭矩是否能滿足閥門運行操作要求，另一方面用于確定扭矩開關的設定值。這也是電動閥門診斷工作中最關注的參數之一，它直接關系到閥門的密封性能。

三門核電站列入診斷范圍內的電動閥主要為電動閘閥和截止閥，下面僅對這兩種類型閥門的最小推力和最小拔出力的計算進行介紹。

1.1 電動閘閥閥桿推力計算

電動閘閥開關動作時的閥桿推力應能克服各方面的阻力并使閥門達到密封，它需要考慮閘板重量、填料摩擦力、流體的差壓及負壓作用力、閘板克服阻力與密封面接觸后形成的密封比壓等等，計算中涉及很多摩擦系數及閥瓣楔角等參數，從工程應用角度來看，一般計算時使用如下簡化公式：

（1）FPACK為填料摩擦力（單位為N）。在實際應用過程中，填料摩擦力可以從閥門廠家或填料廠家得來，也可以進行理論計算。但理論計算比較復雜，同時填料摩擦力與填料的新舊程度、干濕程度、安裝情況及系統運行情況有關，計算存在一定的偏差。表1提供了填料摩擦力試驗數值，在計算閥門推力時可按照閥桿直徑選擇相應摩擦力，在后續閥門診斷過程中對填料摩擦力進行實際測量后，將實測值帶入公式中進行修正。

（2）FP為閥桿活塞效應所產生的軸向力（單位為N）。計算公式如下：

閥門關閉時：

表1 填料摩擦力試驗數據

閥門打開時：

式中，P為閥腔內的壓力，通常可以直接取閥門上游壓力；Astem為填料處的閥桿橫截面積；Dstem為填料處閥桿直徑。

（3）FDP為閘板上的差壓所產生的軸向力（單位為N）。計算公式如下：

式中，f為閥門因子；A0為閥瓣有效面積；ΔP為閘板上的差壓。

閥門因子的計算公式如下：

式中，uS為閘板和閥座之間的摩擦系數，閘板和閥座上一般都鍍有stellite合金，摩擦系數在0.35～0.5之間，一般取0.4；θ為閘板楔角的一半；“+”適用于閥門打開，“-”適用于閥門關閉。

1.2 電動截止閥閥桿推力計算

電動截止閥閥桿推力計算使用如下簡化計算公式：

閥門打開時的閥桿推力：

閥門關閉時的閥桿推力：

（1）FPACK為填料摩擦力（單位為N），選取方法同電動閘閥。

（2）FP為閥桿活塞效應所產生的軸向力（單位為N），計算方法同電動閘閥。

（3）FDP為閥瓣上的差壓所產生的軸向力（單位為N）。計算方法如下：

對于平衡閥瓣來說，閥瓣上的差壓影響很小，可以認為FDP=0。

對于不平衡閥瓣，計算公式如下：

式中，ΔP為閥瓣上的差壓；A0為閥瓣承壓面積；Dseat為閥座直徑。

（4）FDF為閥瓣導向面摩擦力（單位為N）。計算方法如下：

對于不平衡閥瓣，FDF=0。

對于平衡閥瓣計算公式如下：

對于通過閥瓣的流體流向為流開型時：

對于通過閥瓣的流體流向為流關型時：

式中，ΔP為閥瓣上的差壓；Dguide為閥瓣導向直徑。

（5）FS為閥座密封力（單位為N）。僅閥門關閉時考慮密封力，計算公式如下：

式中，Sseat為必須密封比壓，與閥門壓力等級、密封面寬度有關，可由閥門廠家提供，一般可近似按表2選?。籄seat為閥瓣與閥座接觸面積，對于線密封閥門，密封面寬度可近似取為1.59 mm（1/16 in）；θ為密封角；μS為閥瓣與閥座摩擦系數，在0.35～0.5之間，一般取0.4。

表2 金屬對金屬密封面所需密封比壓

（6）TRF為扭矩作用因子（無量綱）。計算公式如下：

式中，μt為閥瓣與閥座或閥瓣導向面摩擦系數，在0.35～0.5之間，一般取0.4；rt為扭矩作用半徑，對無導向閥瓣取閥座半徑，對導向閥瓣取導向半徑；FS為閥桿因子（單位為m），計算公式見1.3。

1.3 閥桿因子FS的計算

閥桿因子是在閥桿螺母上，電動頭的扭矩與閥桿推力的轉化系數，單位為m。一般電動頭廠家給出的都是電動頭的輸出扭矩，需要將其轉化成閥桿推力以與計算值進行比較。閥桿螺母螺紋一般都為梯形螺紋，閥桿因子的計算公式如下：

（1）d為梯形螺紋中徑（單位為m）。對于公制或ACME標準梯形螺紋，d=Dstem-0.5P，其中P為螺距。

（2）α為梯形螺紋牙形角的一半（單位為°）。對于公制梯形螺紋，α=15°；對于ACME標準梯形螺紋，α=14.5°。

（4）μ為閥桿和閥桿螺母之間的摩擦系數（無量綱）。潤滑良好的情況下，一般取為0.15。

1.4 閥桿推力上限值的考慮

在現場實際診斷過程中，發現的問題一般都是閥門所配電動頭的輸出扭矩小于閥門關閉所需扭矩，或扭矩開關的設定值偏低。對于前面這種問題需要更換電動頭，對于后面一種問題需要將扭矩開關的設置值調高一點。但電動閥關閉時的密封力并不是越大越好，如果密封力過大，會存在閥門打不開的危險，也可能會對閥門結構造成損壞。

因此，閥門扭矩開關動作點的閥桿推力存在一個上限值。首先，關閉時扭矩開關動作點的上限應小于電廠供電電壓降至80%時電機所能提供的最大扭矩。因為在緊急情況下電廠供電系統有可能只能提供80%的額定電壓，如果扭矩開關動作點值設置過大，則扭矩開關無法動作，電機電源無法切斷，對閥門會造成損害。其次，扭矩開關動作點的上限應小于閥門最薄弱部件的結構限值，否則會損壞閥門，這些薄弱部件主要有電動執行機構的機械結構、閥桿、閥瓣、閥座等。最后，還要對上述兩項的最小值進行向下的不確定度修正，才能得到扭矩開關動作時所需閥桿推力的上限值，以起到對閥門各部件的保護作用。

1.5 閥桿推力計算值的修正

在實際測量中，由于存在許多不確定因素，它們都會影響所測的閥桿推力，因此需要對閥桿推力計算值進行修正。主要不確定因素有：

（1）負載誤差，一般取10%；

（2）閥桿的潤滑降質誤差，一般取5%；

（3）扭矩開關的彈簧松弛誤差，一般取5%；

（4）扭矩開關的重復性誤差，一般取5%；

（5）扭矩傳感器的精度誤差，由傳感器廠家提供。

因此，綜合考慮計算上述不確定因素后，根據其對測試影響的權值輕重，將前三方面的誤差直接相加，對后兩方面的誤差取其均方根，得到不確定度修正值，再對計算所得的推力值向上進行不確定度修正，才能得到扭矩開關動作時所需閥桿推力的下限值。

測量所得的關閉行程中扭矩開關動作時的閥桿推力要在上、下限之間，才算設定得比較合格。

綜上所述，雖然電動閥的診斷是在靜態工況下進行的，所測得的閥桿推力與閥門實際工況有一定的差別，但引入誤差修正因數后，扭矩開關動作點的設定值要大于閥桿推力的計算值，這樣閥門不但能克服流體的擾動，而且有充足的裕量來克服實際工況中各不確定因素的影響。

2 電動閥診斷工具

三門核電站電動閥診斷設備為Crane公司的VOTES Infinity，接收的信號有以下幾種：

（1）扭矩/推力：通過安裝在閥桿上的QSS（貼片式應力傳感器）或C-CLAMP（鉗形應力傳感器）測量?，F場測量過程中經常會遇到閥門不能在安裝扭矩/推力傳感器時走完全行程，尤其是C-CLAMP傳感器。由于電動閥的關閥推力和開閥拔出力峰值通常出現在閥門位于關閉的位置，出現前述情況時，通常使閥門運動到接近關閉位置，然后安裝應力傳感器，接著使閥門關閉和開啟部分行程，這樣可以測得關注的閥桿推力。注意在部分開閥過程中，一定要控制好閥門的停止按鈕或端子，防止應力傳感器被碰壞。

（2）電壓：通過串入電機三相電纜線的電壓傳感器測得。

（3）電流：通過夾在電機三相電纜線上的鉗形表，測量電機電流。

（4）通斷量：如力矩開關、限位開關以及力矩開關旁路的通斷，通過串入各開關量的端子上的傳感器來測量。不同的開關量在軟件中顯示的跳變電壓值不同，可以很容易地在時間軸上確定各開關量的動作時間。

（5）閥門位移：通過安裝在閥桿上的位移傳感器來測量?，F場測量過程中經常會遇到閥門不能在安裝位移傳感器時走完全行程，所以位移傳感器實際使用中應用范圍有限。

3 電動閥診斷數據分析

如果排除掉測試產生的誤差，采集的各參數的實時曲線應能比較客觀地反映閥門的工作性能。通過各特征點的選取比照及對各曲線的綜合分析，對閥門的性能進行診斷。

通過對采集曲線的細致分析，可獲得閥門如下的性能參數：

（1）關閥時扭矩開關動作時閥桿推力；

（2）關閥時閥門關閉后的最終落座力；

（3）開閥時閘板拔出力；

（4）平均摩擦力；

（5）行程時間；

（6）開行程中開力矩旁路開關（bypass）動作時間；

（7）峰值沖擊電流/功率；

（8）運行電流/功率；

（9）峰值關閥電流/功率。

在分析過程中，對應力曲線的分析較為復雜，從中獲取的信息也最多最重要。在實際測試過程中，所采集的曲線往往不會特別規則，這就需要根據閥門運動的實際過程，參考閥門運動全過程中閥桿的理想受力曲線進行比對，分析不同時段的閥門實際動作情況，根據電機電流、功率情況，選取出特征點，對閥門的性能進行分析。

需要注意的是，分析應力曲線時，無論是關閥還是開閥，閥桿推力都只應在靠近閥門關閉位置出現大的變化，一般在閥門關閉位置10%的行程以內。如果在10%的行程以外應力出現波動，都應該結合應力趨勢、電流曲線進行分析，判斷閥門內部是否出現卡澀、磨損等。

4 結語

三門核電站作為三代核電AP1000全球首堆示范工程，在電站的各個方面引入了美國核電站先進的管理體系和標準。與國內其他核電站的電動閥診斷模式有所不同，三門核電站參考美國核電站成立了電動閥專項小組，編寫了管理程序《電動閥管理大綱》，系統地規定了電動閥的診斷范圍、設計基礎數據審查、設定值計算、診斷過程、診斷數據分析、趨勢分析和大綱優化等各個環節，并對各部門的職責進行了詳細規定，使電動閥的診斷工作能長期有效進行。本文對三門核電站電動閥診斷方法進行了介紹，對后續其他AP1000機組電動閥的診斷工作具有一定的借鑒意義。