核電廠安噴泵入口隔離閥電機頻跳問題分析

□李丕陸 林木營 胡建成

安全殼噴淋系統(EAS)是核島專設安全系統之一，在事故工況(LOCA或安全殼內蒸汽管道破裂)下，當安全殼內的壓力和溫度升高到一定值時，系統將安全殼內的壓力和溫度降低至可接受的水平，以保持安全殼的完整性，是專設安全設施中唯一有冷源的系統。其中隔離閥1EAS013、014VB分別位于安全殼地坑與1、2號安噴泵入口之間，在系統再循環噴淋階段開啟，安噴泵轉為從地坑取水[1]。某核電廠一號機組調試期間，在對這兩個閥門進行單體試驗時發現閥門的力矩開關在開啟和關閉的時候頻繁跳動，導致閥門電機不斷啟停，閥門無法正常工作，存在一定的安全隱患。

一、閥門基本情況概述

1EAS013VB為W形平行閘板式電動閥，配備Velan公司DN400閥體(啟閉力矩80N·m，最小關閉密封力43059N)，BERNARD公司ST30-92-K3型電動執行機構(額定電流4.4A，輸出轉速92rpm，最大輸出力矩300N·m)，電動執行機構與閥桿通過閥門遠傳機構(額定扭矩80N·m，極限扭矩300N·m，傳動效率大于80%)連接，中間共有3個90度換向轉角，連接示意見圖1。

圖1 閥門遠傳機構與電動執行機構連接示意

1EAS013VB為安全2級閥門，現場實際操作中，使用關力矩開關控制閥門關閉，開限位開關控制閥門開啟，開力矩開關設置有旁路控制(bypass)。

二、原因分析

(一)試驗數據分析。閥門關力矩開關設置在90%(目測)，開力矩開關設置在100%位置。在此條件下，對閥門進行多次全開全關試驗和半開位——全關位——半開位的測試試驗，測試過程中發現，在操作信號控制閥門開、關的啟動瞬間，多次觸發開、關力矩開關動作，總結如下：全關位時開閥，雖然會觸發力矩開關動作，但是由于bypass旁路0.54S的作用(bypass恢復前開力矩開關動作無效)，電機電源不會被切斷，閥門可正常開啟。若在半開位時開閥，可檢測到開力矩開關被觸發，切斷電機電源，但由于開閥控制信號仍持續存在，電機又被重新啟動，電機多次重復啟動后，閥門才能正常開啟。閥門不論在全開還是半開位，關閥瞬間受到靜態阻力較大，會觸發關力矩開關動作，切斷電機電源，使閥門第1次啟動失敗，但由于關閥操作信號持續保持，電機會再次重新啟動。

為進一步確認電機啟動阻力的來源，將遠傳機構在穿過樓板后與閥門聯軸器脫開，電裝只驅動遠傳機構，閥門開、關操作時，啟動瞬間力矩開關的動作情況與連接閥門時基本相同，多次出現重復啟動的現象。由此推斷電動執行機構與遠傳機構之間的配合存在一定的問題，啟動瞬間的阻力主要來自閥門遠傳機構。

(二)理論分析。由于電動執行機構的輸出轉速為92rpm，初步推測是由于電機啟動瞬間遠傳機構的慣性力矩太大，引起電機負載增加，觸發力矩開關動作。電動執行機構與遠傳機構連接簡圖見圖2，其中除L2段，其余各段均有一個伸縮法蘭式萬向聯軸器，不考慮連接套對啟動力矩的影響。假設電機啟動瞬間，在時間t內使電動執行機構的轉速達到額定轉速92rpm，電裝所需要的啟動力矩：

圖2 電動執行機構與遠傳機構連接簡圖

其中Mr為遠傳機構的慣性力矩，Mq閥門的啟閉力矩，η為遠傳機構相對應部分的傳動效率。

以L3段為例，設轉向器中傘齒輪的傳動效率為η1，伸縮法蘭式萬向聯軸器的傳動效率為η2，起始角速度ω0=0rad/s，時間t內轉速達到92rpm,即：

由ωt=ω0+a(t-t0)可得角加速度a為：

則L3段的慣性力矩應為：

考慮從電裝連接處到L3段末端之間有2個轉向器，2個聯軸器，其傳動效率應為：

η=η12η22

對應電裝端所需的啟動力矩為：

同理可求得：

1.1 地理位置及交通 公園位于青海省黃南州尖扎縣,北以黃河為界與化隆回族自治縣相鄰,西與貴德縣接鄰,地理坐標為101°38′～101°49′E、36°04′～36°10′N,分布面積約154 km2。區內交通網絡較發達，西寧—尖扎—康揚—李家峽—坎布拉公路網絡縱橫交錯。

根據閥門廠家資料，閥門啟閉力矩Mq為80N·m，則對應電裝的啟動力矩：

電裝總的啟動力矩為：

Md=Md1+Md2+Md3+Md4+Mdq

(1)

根據機械手冊，η1假設為0.95，η2假設為0.97。

J1=0.14Kg·m2

J2=0.046Kg·m2

J4=0.24Kg·m2

帶入式(1)可得：

當t<0.03s時，Md>290N·m，已經超過力矩開關設定值。

由計算過程可以看出，可近似認為閥門的啟動力矩與遠傳機構的轉動慣量成正比，與啟動時間成反比。由于電動執行機構啟動時間很短，所以需要的啟動力矩相應就會很大。并且由于現場施工的不規范，遠傳機構傳動部件的傳動效率會隨之降低，相對轉動軸的轉動慣量也會變大，最終都會導致電動執行機構的輸出扭矩變大。

(三)總結。綜上所述，電動執行機構與遠傳機構的匹配上存在一定問題，遠傳機構過多的傳動部件導致在高速啟動時對電動執行機構產生的負載過大，導致力矩開關動作，切斷電機電源，閥門不能一次啟閉成功。

三、改進方案探討

解決本問題的核心是降低閥門開、關瞬間電裝的啟動阻力，可通過多種途徑進行。

(一)遠傳機構改進。對遠傳機構的結構或者傳動部件進行改進，減小慣性力矩，使其滿足高速啟動的運行工況。采購技術文件中應提供電動執行機構實際運行的轉速、啟動時間等參數，并明確規定：遠傳閥門的效率試驗應能模式實際運行工況的全過程，包括高速啟動工況，高速啟動工況電裝所需要的啟動力矩不應超過閥門的限定力矩，傳動效率不應低于80%。廠家出廠驗收規范中相關試驗方法、過程也應按此進行優化，對閥門運行的實際工況予以考慮。

(二)電動執行機構改進。可使用變頻電機改變電動執行機構的輸出特性，使其啟動初始階段保持在較低的輸出轉速，但應保證閥門開啟、關閉的時間要求。

(三)布置方案改進。對閥門布置方案進行改進，例如將閥門閥體布置在操作間的正下方K011房間，以減少遠傳機構的轉向機構，減小啟動阻力。

(四)規范安裝。遠傳機構的安裝過程、安裝精度應嚴格遵循廠家技術規格中的要求，避免安裝誤差。