核級電磁閥線圈壽命評估方法

汪亮 云浩 高軒 黃遠 張益舟

摘 要

針對核級電磁閥線圈，分析主要部件構成及老化機理，梳理能夠表征電磁閥線圈可靠性的老化敏感參數，包括外觀狀況、直流電阻、線圈匝間絕緣電阻、絕緣硬度、氧化誘導時間等。針對梳理出的老化敏感參數，給出對應的性能檢測及壽命評估方法，并用試驗實例說明上述方法的可靠性。最后，給出核電廠電磁閥線圈的老化管理行動建議。

關鍵詞

核級電磁閥線圈;老化機理;敏感參數;性能檢測;壽命評估

中圖分類號： V433.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 62

0 引言

電磁閥線圈作為典型的儀控元件，廣泛地用于核電控制系統中，部分核級電磁閥線圈對核電廠的安全、經濟運行起著至關重要的作用，如主蒸汽系統、主給水系統、換料系統的電磁閥線圈。電磁閥線圈隨著服役時間的增加將出現老化降質，若發生非預期失效將影響核電廠的正常運行，嚴重時導致非計劃停機、停堆，并造成重大經濟損失。因此，有必要監測核級電磁閥線圈的老化狀態，在其失效前及時采取糾正性行動措施，避免造成停機、停堆或重大經濟損失事件。

目前針對電磁閥線圈的檢查措施少有報道，主要管理措施為外觀檢查或失效后更換，屬于被動老化行動管理，不能積極預防電磁閥線圈的失效。

鑒于此，文章總結了電磁閥線圈的主要老化機理，提出了一系列性能測試方法，并通過試驗驗證各種性能測試方法的效果，獲取電磁閥線圈的敏感性能指標，為核級電磁閥線圈的老化狀態監測提供參考。

1 電磁閥線圈的老化機理

1.1 結構構成

電磁閥線圈主要由漆包線、塑封外殼、絕緣導線等部件構成。漆包線纏繞在塑封外殼內，末端連接絕緣導線，絕緣導線連接外部控制電源。電磁閥線圈整體安裝在電磁閥基座上，通過電磁力控制閥體的移動從而控制氣體或液體的流動。

1.2 老化機理

根據電磁閥線圈的結構構成及工作環境，導致電磁閥線圈老化的主要因素依次如下。

1.2.1 環境高溫

環境高溫包含周圍環境高溫加上電磁閥線圈的歐姆熱自溫升，在環境高溫下，漆包線絕緣、塑封外殼、連接導線等絕緣物質容易發生老化降級，甚至開裂。

1.2.2 長時間勵磁

長時間勵磁可能導致線圈漆包線薄弱點產生局部剩余電流，進一步使薄弱點溫度升高，直至線圈斷開。

1.2.3 浪涌電流沖擊

電磁閥的啟停存在浪涌電流沖擊，尤其是頻繁啟動電磁閥，浪涌沖擊將導致線圈漆包線薄弱點降級，甚至發生電擊穿。

1.2.4 振動疲勞

電磁閥線圈運行過程中由于流體的流動發生振動，會導致電磁閥線圈承受振動疲勞，進而導致塑封外殼、絕緣導線端部降級，甚至開裂。

2 敏感參數及測量方法

根據電磁閥線圈的構成及工作原理，可設置以下敏感性能參數。

2.1 外觀狀況

外觀狀況是指電磁閥線圈各部件的外觀結構，部件老化后將會出現微小裂紋、材料損失、或者氧化等現象。外觀狀況通過高倍數的光學顯微鏡進行拍照記錄。

2.2 直流電阻

直流電阻指線圈漆包線的直流電阻，漆包線隨著老化的進行，直流電阻將會呈現趨勢性變化。直流電阻通過高精度數字電表測量絕緣導線的兩端得到[1]，所有測量結果需在相同實驗室溫度進行或者換算至基準溫度。

2.3 線圈溫升

線圈溫升指電磁閥線圈通電后的歐姆熱自溫升，線圈老化至壽命末期，線圈溫升將升高。線圈溫升通過高準確紅外熱成像儀或點溫儀測量[2]。

2.4 阻抗譜

阻抗譜指線圈漆包線的交流阻抗譜，漆包線隨著老化的進行，阻抗譜在敏感頻率下將呈現趨勢變化。阻抗譜通過阻抗分析儀或網絡分析儀進行測量得到。

2.5 絕緣硬度

絕緣硬度指絕緣表面的抗擠壓性能，隨著絕緣材料的老化降級，其表面硬度會呈現趨勢變化。絕緣硬度可通過硬度計或者壓縮模量儀測試得到[3]。

2.6 氧化誘導時間

氧化誘導時間指高分子物質在高溫氧氣環境下開始發生自動催化氧化反應的時間，隨著老化的進行，氧化誘導時間將呈現趨勢性變化。氧化誘導時間可通過DSC測試得到。

2.7 絕緣電阻

絕緣電阻指線圈漆包線與外部絕緣部件的電阻，線圈漆包線老化至壽命末期，絕緣將發生降級。絕緣電阻通過絕緣電阻儀測試得到[1]，測試時將線圈浸沒常溫水中（絕緣導線端部除外）進行測試。

3 實例分析

以某核電廠核級電磁閥線圈為例，對本文所提的敏感參數評估方法進行說明。在實驗室對核級電磁閥線圈開展老化試驗，試驗分兩組，1組采用115Vac供電老化（樣本1），一組采用105Vac供電老化（樣本2），兩組均老化12個周期，每個周期設置為通電10h，斷電1h。對核級電磁閥線圈各敏感指標的測試結果及分析如下所示。

3.1 外觀狀況

外觀檢查發現，115Vac樣本老化程度明顯高于105Vac樣本，整個過程呈現逐漸老化，無法獲取外觀狀況性能趨勢指標。但可根據裂紋大小、材料損失程度、氧化程度作為判廢指標。

3.2 直流電阻

線圈漆包線直流電阻測試顯示，隨著老化程度加深，直流電阻呈現先降低后上升的現象，適合作為敏感性能指標。由于老化時間未至壽命末期，因此兩種應力下指標相差不大。

3.3 線圈溫升

線圈溫升測試顯示，線圈老化未至壽命末期，老化進程中溫差不明顯，線圈溫升不適合做趨勢分析指標。

3.4 阻抗譜

阻抗譜分析表明，隨著老化的進行，存在多個敏感頻率點，阻抗幅值能區分老化的嚴重程度，適合作為敏感性能指標。

3.5 絕緣硬度

塑封外殼硬度測試表明，硬度測量值隨老化進程呈現趨勢性變化，適合作為敏感性能指標。

3.6 氧化誘導時間

塑封外殼氧化誘導時間測試表明，隨著老化的進行，氧化誘導時間總體上呈現逐漸上升的趨勢，適合作為敏感性能指標。

3.7 絕緣電阻

線圈漆包線絕緣電阻測試表明，線圈老化未至壽命末期，絕緣電阻測試值趨勢不明顯，不適合作為敏感性能指標，但可作為判廢指標。

4 壽命評估方法

根據第3章的實例分析，線圈直流電阻、阻抗譜幅值、絕緣硬度、氧化誘導時間可作為電磁閥線圈壽命分析的敏感性能指標，外觀檢查、線圈溫升、絕緣電阻可用于定性判廢，不適合作為壽命評估參數。

電磁閥線圈在出廠時給了推薦的更換壽命，該壽命為在規定運行環境下能可靠運行的保守時間，稱為截止壽命;但根據實際運行狀況，電磁閥線圈的實際壽命，也稱終止壽命大于截止壽命。

4.1 截止壽命評估方法

截止壽命評估適用于已有固定更換壽命的電磁閥線圈，該壽命通過查詢廠家出廠試驗報告或經過一段時間的加速老化試驗獲取。通過出廠試驗報告或者老化試驗后獲取截止壽命的敏感性能參數值，將該參數作為截止壽命判據。通過加速老化試驗獲取初始性能至截止參數的的壽命曲線，如第3章直流電阻等敏感性能參數擬合函數的反函數;并尋找加速老化與正常老化的加速因子。

4.2 終止壽命評估方法

終止壽命分析適用于即將到達廠家推薦的截止壽命但性能狀態良好的電磁閥線圈，終止壽命由國家標準或國外研究機構給出終止壽命判據，可通過加速老化試驗達到規定的終止壽命判據，獲取壽命曲線及加速老化因子。

獲取敏感指標壽命曲線及對應的加速老化因子后，測試現場電磁閥線圈的敏感性能參數，將性能參數測量值與壽命曲線進行對比，識別電磁閥線圈的性能狀態及剩余壽命。

5 結論與建議

通過本文表明，在核電廠運行過程中，可通過測量直流電阻、阻抗譜、氧化誘導時間等敏感性能指標有效跟蹤核級電磁閥線圈的老化狀態，在失效前采取糾正性行動措施，減小非預期停機、停堆的概率，以及重大的經濟損失。

為保障核級電磁閥線圈的安全可靠運行，提供如下行動建議：

（1）篩選核電廠的電磁閥線圈，將核安全相關電磁閥線圈作為重要管理對象，進行主動老化管理。

（2）加速老化試驗獲取核級電磁閥線圈的壽命曲線，并通過本文所述敏感性能指標監測電磁閥線圈的性能狀態。

（3）必要時改善核級電磁閥線圈的運行環境，如合理范圍內降壓運行、調節工作模式，以及工作環境通風降溫等。

參考文獻

[1]GJB 360B-2009電子及電氣元件試驗方法.

[2]GB/T 38238-2019無損檢測儀器紅外線熱成像系統與設備性能描述.

[3]GB/T 3398.2-2008塑料硬度測定.