電廠低壓及高壓加熱器系統液位開關性能提升改進

王海寶，薛勝峰，譚旭東，周立平，肖群雄，鄭祥東

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500）

0 引言

電廠由于其特殊性，尤其重視運行期間的安全性。電廠的儀表及儀控系統構成了電廠的“中樞”神經系統，對電廠整體工藝流程正常、高效、安全運行起著不可替代的作用，所以電廠對于儀表設備的首要條件是設備的穩定性及安全性。目前，廣東某電廠低壓及高壓加熱器系統采用的浮球液位開關在運行過程中頻繁出現無法正常觸發或復位的故障，該故障可能導致電廠汽輪機停機，造成非常嚴重的后果，迫切需要找到浮球液位開關的故障原因并給予徹底解決。

1 現狀及影響

廣東某電廠低壓及高壓加熱器系統采用國外某品牌生產的浮球液位開關，當其長期工作在溫度226℃、最大工作壓力3MPa的工況下，頻繁出現無法正常觸發或復位的故障。經統計每臺機組共有44臺浮球液位開關，均有出現該故障，說明該類型液位開關在工況下出現故障屬于共性問題。該系統使用的浮球液位開關屬于系統監控儀表，出現無法正常觸發或復位的故障可能會導致汽輪機停機的嚴重后果，必須即刻排除隱患。

圖1 浮球液位開關測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring principle of float ball level switch

2 浮球液位開關故障原因分析

2.1 浮球液位開關測量原理

浮球液位開關是基于阿基米德浮力原理工作，裝在測量點的浮球與測量液體充分接觸，浮球位置隨測量液體液位變化而同步變化，同時浮球帶動推動連桿剛性連接的磁性軸套位置也作相應變化，到達預設定控制點時，磁性軸套通過磁耦合驅動開關吸合，開關處于閉合導通狀態；測量液位位置脫離預設定控制區域時，磁性軸套脫離磁耦合區域，開關處于斷開狀態，從而實現液位點測量，并輸出開關信號。浮球液位開關是目前工業現場廣泛采用的測量液位儀表之一[1]，浮球液位開關測量原理示意圖如圖1所示。

2.2 故障分析

為了尋求電廠現場使用的液位開關故障原因，采用對現場拆卸下來的液位開關進行逐步拆解分析的方法，拆解過程中發現以下問題：

1）目前使用浮球液位開關為一體式結構，該種安裝結構在現場檢維修過程中有明顯的缺點，一體式結構的液位開關不方便檢修，發生故障后，不易進行診斷及修復。安裝結構如圖2所示。

2）觀察拆解下來的液位開關浮球推動連桿發現有明顯的彎曲變形，彎曲形變量直接導致浮球與浮筒之間產生卡澀現象，限制了浮球的上下移動。浮球推動連桿彎曲變形如圖3所示。

圖2 一體型浮球液位開關Fig.2 Integrated float level switch

圖3 推動連桿變形圖Fig.3 Deformation of push rod

3）將液位開關逐步進行拆解，發現測量浮筒內部有嚴重的銹蝕現象如圖4所示，目測浮球與浮筒間隙較小。通過內徑卡尺測量浮筒內徑和外徑卡尺測量浮球外徑尺寸對比，浮球液位開關浮筒和浮球間距最大為2mm，浮球與浮筒之間的移動間隙過小，有導致浮球卡澀的風險。

4）拆解過程中，同時發現浮球液位開關中使用的微動開關觸點有嚴重的氧化現象，微動開關觸點接觸電阻大于規格書范圍，存在接觸不良現象。

浮球液位開關無法正常觸發或復位的故障，從浮球液位開關的工作原理可知，裝在測量點的浮球與測量液體充分接觸，浮球位置隨測量液體液位變化而同步變化，同時浮球帶動推動連桿剛性連接的磁性軸套位置也作相應變化，到達預設定控制點時，磁性軸套通過磁耦合驅動開關吸合，開關處于閉合導通狀態；測量液位位置脫離預設定控制區域時，磁性軸套脫離磁耦合區域，開關處于斷開狀態，從而實現液位點測量，并輸出開關信號。浮球隨被測液體液位正常移動是必要條件，通過推動連桿傳遞位移，通過磁耦合方式閉合或斷開開關實現功能輸出。從拆解的浮球液位開關可以判斷出液位開關主要的故障原因：

圖4 浮筒內壁銹蝕圖Fig.4 Corrosion of inner wall of pontoon

a）浮球與浮筒內壁間距最大間隙為2mm，相對移動間隙過小，同時由于浮筒材質不耐腐蝕存在嚴重銹蝕現象，腐蝕層擠占浮球移動間隙，因而存在浮球移動空間受阻出現浮球卡澀現象，導致液位開關浮球無法傳遞出位移動作，不能傳遞到開關從而無法實現開關的觸發動作。

b）浮球推動連桿在工況環境下已經出現了彎曲現象，彎曲形變量進一步導致浮球與浮筒在2mm的移動間隙移動受阻，因而浮球出現卡澀現象，導致液位開關浮球無法傳遞出位移動作，不能傳遞到開關從而無法實現開關的觸發動作。

c）由于現使用的表頭中的微動開關觸點未做耐高溫氧化處理，在高溫工作條件下微動開關觸點有嚴重的氧化現象，觸點接觸電阻遠大于規格書范圍、存在接觸不良現象。

3 解決方案

通過對現場浮球液位開關的拆解并分析原因，可見目前使用的國外某品牌浮球液位開關未充分考慮使用的工況，使得產品在使用過程中故障頻發，急需進行優化處理。從液位開關原理上分析，此原理的浮球液位開關是可以滿足現場工況下正常使用的，由于設計和工藝上沒有充分考慮現場實際工況使用條件，故造成了故障頻發。根據以上原因分析，結合電廠實際使用工況條件提出浮球液位開關的優化提升改進方案如下：

3.1 增大浮球與浮筒的間距，防止浮球卡澀

圖5 改進后的浮球液位開關圖Fig.5 Improved float level switch diagram

針對目前使用的浮球液位開關，浮球與浮筒之間移動間隙最大為2mm的情況，經分析該間隙對產品測量的影響后，對液位開關的浮球與浮筒間隙尺寸做了重新優化和調整。調整后浮筒的內徑設計為φ125mm（外徑φ133mm），液位開關浮球的外徑設計為89mm（外形如圖5所示），調整后浮球與浮筒的移動間隙達到18mm，相比原來2mm的間距大了9倍，有效增加了活動部件間的間隙，防止卡澀，同時不影響液位開關的正常測量功能。

3.2 浮球連桿加固

原浮球推動連桿為細長桿，剛性不足，在工況下已產生變形，重新經過力學計算對浮球推動連桿進行了加粗、加固優化設計如圖5所示，滿足工況下剛性足夠防止發生變形，從而有效解決因浮球推動連桿形變導致卡澀現象。

3.3 開關觸點采用鍍金工藝

液位開關使用的微動開關觸點有嚴重的氧化現象，主要原因是目前的微動開關觸點表面處理工藝不能滿足現場工況環境要求，需要對其表面處理工藝進行優化。經過篩選對比，選擇開關觸點鍍金工藝最為恰當。金作為一種貴金屬，不會與其他材料發生反應，而且金在大氣環境中不會氧化或者變色，在惡劣的環境下也長期耐用，通過采用電鍍工藝，非常適合接觸鍍層。鍍金可提高觸點的耐腐蝕性，這就意味著它們更適合用于惡劣的環境。金觸點的接觸電阻較低，有利于提升開關電氣性能。根據使用的工作條件對微動開關觸點采用鍍金工藝[2]，防止因高溫產生氧化，因鹽霧產生腐蝕，滿足開關在工況環境下正常觸發導通。

3.4 優化浮筒本體材料

通過拆解可以發現在工況下，原浮球液位開關浮筒已經發生了較為嚴重的銹蝕，充分說明原材質不能滿足現場工況測量需求。根據電廠現場工況對本體材料進行篩選，將原浮筒材質替換為316L不銹鋼材料[3]。316L不銹鋼材料因其優異的耐腐蝕性、高溫力學性能、加工性能良好、焊接性能較好等優點在多個行業有著廣泛應用，可以較好地避免浮筒發生銹蝕。

圖6 液位開關安裝圖Fig.6 Installation drawing of liquid level switch

3.5 安裝方式改進為法蘭連接

目前使用浮球液位開關為一體式結構，該結構不方便檢修，發生故障后，不易進行診斷及修復。根據充分調研目前現場儀表安裝結構形式，將浮球液位開關的安裝方式由一體式改進為法蘭連接[4]，浮筒部分和浮球測量部分通過螺栓將法蘭進行有效連接。該種連接結構形式廣泛應用于現場儀表，不僅可以在高溫、高壓場合使用，而且可以方便地進行現場拆卸維護。改進為法蘭安裝形式后的液位開關如圖6所示。

4 改進效果

低壓及高壓加熱器系統的浮球液位開關經過優化浮球與浮筒間間隙、加固推動連接桿、采用鍍金工藝觸點、優化浮筒本體材質等改進后，在電廠同樣位號進行替代試運行，未發生無法正常觸發或復位的故障現象，改進方案達到了預期目的。

5 結束語

通過對核電廠現使用的浮球液位開關進行拆解分析，找到了故障發生的根本原因。根據原因分析，針對性地制定了解決方案并對原產品進行技術、工藝優化改進，制作了相應樣機在電廠現場替代試運行驗證，驗證過程中未發生無法正常觸發或復位的故障，原有故障得到根本解決。該性能提升改進工作有效地解決了電廠低壓及高壓加熱器系統液位開關無法正常觸發或復位的故障，優化了現場安裝形式，有效減少了電廠現場的維護時間，有利于整個電廠的安全運行，同時也希望給同類型工況選用浮球液位開關的電廠單位提供參考建議。