核電站閥桿推力測量裝置的設計及應用研究

楊 濤，李青華，簡海林，孫 湞

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

在流體管道系統中，閥門是一種常見的機械產品，主要用于隔離設備和管道系統、防止回流、調節壓力和流量，在設備系統運行中起著重要的控制、調節作用，且在各系統位置承擔著重要的安全功能。閥門設備功能的正常與否、閥門的運行狀態，直接關系到系統和電廠的安全經濟運行。

在核電站，閥門基數大、故障類型多、故障頻次高，還經常出現重大閥門缺陷（如閥門無法開啟、閥桿斷裂[1]、電機堵轉等）導致機組停機、停堆事故發生，如Davis Bess 電站主給水隔離閥無法開啟導致機組熱停機、Sequoyah 電站電動閘閥關閉后無法重新打開導致輔助給水全部流失事件。這些故障的根本原因，往往是因為閥門閥桿推力的設定不正確。因此，閥桿推力的測量和正確設定，已經成為閥門診斷[2-4]、試驗和維修的重要手段之一。

現在主要有兩種方法來測量閥桿推力：一是在閥桿上安裝應變片[5]，直接測量閥桿的變形而計算推力；另外一種則是通過安裝便捷式測量裝置，間接測量閥桿的變形和推力。考慮到核電站特有的輻射、高溫、空間狹小等作業環境，應變片安裝會帶來人員輻照劑量的增加和可能放射性廢物的產生，因此，一種能準確測量閥桿推力且具備即裝即用/即拆功能的測量裝置，對工程應用則顯得尤為重要。

本文將從閥桿推力測量的重要性、測量原理、試驗和工程應用等方面，對具備這種功能的C 型推力測量裝置進行分析研究。

1 C 型推力測量裝置的設計及原理

1.1 推力測量的重要性

在閥門開關時，執行機構的輸出力傳遞到閥桿，進而作用到閥座。閥門的推力正確設定，是保障閥門密封、閥門動作、執行機構選型和閥門安全的重要內容，當前越來越多的閥門制造廠、核電機組會對閥門的推力進行測量和趨勢分析。

閥門的推力設定值，需考慮電機輸出能力、馬達降壓運轉能力、環境溫度、開關設定和測量器具的不確定度等多個因素，同時還需要考慮閥門、閥桿和執行機構的應力極限。過大的推力設定會造成閥門設備或部件損壞，過小的推力設定會導致閥門無法開啟或密封不嚴等故障，這些不正確的設定將會給核電機組的安全運行帶來隱患，而且部分核電機組也曾因這些錯誤的設定發生了事故。

閥桿推力的測量是為了在安全裕度和工作裕度范圍內，正確設定閥門推力值，保障閥門的安全運行。

1.2 裝置設計原理

1.2.1 結構設計

C 型裝置的核心部件由C 型支撐、相關緊固部件和電阻應變計組成（圖1）。C 型支撐為鈦合金材料，緊固部件為不銹鋼材料，電阻應變計粘貼在C 型支撐弧形段靠近固定塊段位置，應變線纜從固定塊段內部引出，電阻應變計和應變線纜均采用軟性材料密封保護。

圖1 C 型裝置結構設計

C 型裝置采用鏤空設計，在保障裝置剛度的同時，還可以降低裝置的整體重量、提高測量精確度。安裝時只需旋轉緊固螺栓，即可將C 型裝置安裝在閥桿上。

1.2.2 推力測量原理

C 型測量裝置是基于惠斯通全橋電阻應變計原理工作的：在C 型支應變片粘貼段段上、下兩表面安裝4 個電阻應變片，組成全惠斯通電橋，進行閥桿徑向變形的間接測量（圖2）。

圖2 電阻應變計安裝

閥桿受到推力時，會產生徑向變形δD，該變形會使C 型支撐兩端A 和B 產生徑向移動（圖3）。此時，應變片粘貼段的電阻應變計區域，也會產生相應的變化，靠近閥桿和遠離閥桿的兩側，會產生方向相反的拉伸和壓縮，此時4 個應變會產生一定的電阻變化，電橋失去平衡，輸出電壓。

圖3 閥桿變形

根據虎克定律和泊松比，可計算閥桿受到的推力值F：

式中 F——閥桿受到的推力，lbf（1 lbf=4.448 222 N）

D——閥桿直徑，in（1 in=25.4 mm）

δD——閥桿徑向變形，μin

E——閥桿材料楊氏模量，lbf/in2

γ——泊松比

u——輸出電壓，μV

U——激勵電壓，V

ω——C 型裝置靈敏度系數，（μV/V）/μin

需要說明的是，C 型裝置的靈敏度系數是在計量院，通過標準壓力試驗機和標準圓桿校準而得。

1.2.3 測量裝置與直接應變片粘貼比較

C 型測量裝置與傳統直接在閥桿粘貼應變片相比較，它解決了傳統應變片在輻照環境、狹小空間的作業難題，同時也解決了應變片與閥桿材料、環境溫度要求相對應的問題（表1）。

表1 C 型測量裝置與粘貼應變片的比較

2 試驗和應用研究

2.1 常見閥桿材料的幾何特性

在工程現場中，常見閥桿材料[6]的幾何特性參數見表2。

表2 常見閥桿材料的幾何特性參數

2.2 試驗研究

為驗證C 型裝置的推力測量能用于工程現場，且精度、重復度滿足要求，試驗[7]選取兩根不同直徑的標準圓桿（直徑為0.625 in 和1.25 in），對該裝置的測量精度和重復度進行研究。

兩種規格圓桿的材料為17-4 不銹鋼，該材料是閥桿常用的材料，成分為0Cr17Ni4Cu4Nb。由表2 可知，其楊氏模量為28 800 000 lbf/in2，泊松比為0.291。

試驗方法是對標準圓桿進行5 級推力載荷遞增試驗，記錄C 型裝置測量的推力數據，并與標準載荷相比較，計算該裝置的測量精度和重復度。

（1）試驗1。0.625 in 標準圓桿載荷試驗。加載方法：標準推力載荷從0 加至8500 lbf，每次遞增1700 lbf，共進行6 次載荷遞增試驗。試驗數據和計算結果見表3。

表3 0.625 in 標準圓桿載荷試驗數據

（2）試驗2。1.25 in 標準圓桿載荷試驗。加載方法：標準推力載荷從0 加至22 500 lbf，每次遞增4500 lbf，共進行6 次載荷遞增試驗。試驗數據和計算結果見表4。

表4 1.25 in 標準圓桿載荷試驗數據

在表3 和表4 中，測量平均載荷是6 次測試的平均值，測量精度誤差τ 和重復性誤差θ 計算公式如下：

式中 Fi——測試時，第i 級加載的標準載荷

Fximax——標準載荷下，6 次重復測量的最大值

Fximin——標準載荷下，6 次重復測量的最小值

從表3 和表4 可以看出，在測試數據時穩定，C 型裝置沒有太大的測試誤差：對于0.625 in 圓桿，測量誤差小于3.5%，重復性誤差小于0.77%；對于1.25 in 圓桿，測量誤差小于2.08%，重復性誤差小于2.76%。誤差滿足工程測量允許的要求。

2.3 工程應用研究

基于前述的試驗研究，在工程應用上選用1 臺電動閥、閥桿安裝C 型裝置對閥門進行開關試驗。閥門類型為電動閘閥，閥桿直徑1 in，執行機構為Limitorque，閥桿材料為17-4 不銹鋼。開關過程中，C 型裝置測量整個過程閥桿的推力數值，閥桿的推力曲線見圖4。

圖4 閥門開關時C 型測量裝置采集的閥桿推力曲線

結合閥門的結構、參數分析，該推力曲線與閥門動作時的受力情況相吻合，因此，C 型裝置能有效應用在工程現場。

3 結束語

試驗測試和工程研究結果表明，C 型測量裝置適用于對核電站閥門閥桿的推力測量，裝置滿足工程現場的測量精度和重復度要求，且不受閥桿材料限制，不受環境溫度影響，不需要使用粘貼劑，能夠做到即裝即用即拆，大大減少了工作人員在輻照環境的作業時間。另外，該推力傳感器不僅適用于核電閥門閥桿的推力測量，還可用于火電、石化、汽車、航空航天等行業的圓桿構件推力、應力、應變測量。