核電站兩位三通交流電磁閥共性問題分析及改進

樊美寧，俞 驍，歐明秋

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦山核電一期常規島常采用ASCO生產的兩位三通電磁閥，多用在給水、疏水調節閥進行閥門開斷，近5年8320A020型號電磁閥缺陷頻發。通過電磁閥外觀檢查、顯微觀察、線圈直阻、電壓、泄漏測試、密封性等材料及性能試驗，找到同型號不同壽命周期的交流電磁閥共性缺陷原因。缺陷一產生于2020年12月，秦山核電一期給旁母管疏水閥PLQ-02SV提供壓縮空氣的電磁閥失效，該電磁閥于2012年投入使用的常得電開電磁閥，服役期間平均15天跳動1次；缺陷二產生于2021年10月，秦山核電一期導汽管疏水閥JBS-01V上電磁閥失效，該電磁閥于2019年投入使用，為常開電磁閥，服役期間很少動作。兩個失效電磁閥表現為開關不嚴、漏氣，且吸合噪音很大，甚至出現無法動作的情況。

1 電磁閥結構與分類

電磁閥是用電磁控制的工業設備，用來控制流體的自動化基礎元件，用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。閥門有很多種驅動方式，可根據其驅動方式將其分為：電磁閥、氣動閥、液動閥、手動閥等。而電磁閥是一種機電轉換裝置，按照不同的分類方法可對電磁閥進行不同的分類。按照工作電壓的不同，可將其分為交流和直流兩類，其中可使用的交流電壓類別有：AC220V、AC380V、AC110V、AC24V四類；直流電壓有：DC220V、DC24V、DC12V、DC6V四類；一般常用的有DC24V以及AC220V。按照電磁閥的位通數可將電磁閥分為：二位二通、二位三通、三位四通等。其中，所謂電磁閥的位是指工作情況下，電磁閥閥芯的工作位置數，而通是指電磁閥閥體上各不相通且可與外接連接裝置相連的接口數。除以上分類之外，最常見的是按照工作原理的分類標準，有三類：直動式、先導式以及分步直動式。其中，直動式電磁閥結構原理最為簡單，只有一個閥門。當電磁力增大到足以克服反作用力的時候，電磁閥開通，其在零壓差、負壓差或者真空環境下都能正常工作，對安裝環境要求低。而先導式電磁閥則有兩個閥門，其中一個主閥，一個先導閥，需要有一定的壓差環境。正常工作情況下，電磁力先把先導小閥開通，在壓差的作用下再將主閥打開。相比于直動式電磁閥，先導式電磁閥的優勢在于其可選擇的通徑較大。而分步直動式電磁閥結合了前兩種電磁閥的優點，既可以在有壓差的工作情況下工作，也可以無需壓差。在零壓差、高壓以及真空環境下均能正常工作，但是其可選擇的工作通徑有限，導致其能被應用的場合有限，且功率消耗過大。

2 故障分析與排除

兩個缺陷的電磁閥日常工作為持續帶電狀態，得電通氣使疏水閥關閉，失電排氣使疏水閥打開。以導汽疏水閥JBS-01V的缺陷為例，當危急遮斷復位油壓高信號及本體疏水控制開關等信號斷開時，電磁閥失電使疏水閥打開。從電站計算機系統中看，JBS-01V在10:56:40時開，11:06:50時恢復關閉，在11:25:12時再次打開。每次打開和關閉都伴隨平均溫度的急劇下降和上升，這說明閥門確實開啟。

導致閥門故障開啟的有以下原因。

2.1 電磁閥本體故障

JBS-01V的控制回路的電磁閥是兩位三通常閉型。正常情況下電磁閥得電時，壓空入口1、電磁閥與閥門接口2通，氣缸內帶壓，閥門JBS-01V關閉；失電時，入口1、電磁閥排氣口通，氣缸內壓力卸掉，閥門JBS-01V打開。

在失電狀態時，鐵芯上彈簧彈力大于底座彈簧彈力，鐵芯推著閥板底座往下走，閥板底座密封與下口的氣孔開啟，氣缸內壓力經由1口和3口卸掉，同時鐵芯的密封堵住上口的氣孔，2口處于關閉狀態，氣缸失去氣源，JBS-01V打開。

在得電狀態下，線圈將鐵芯往上吸合，上彈簧縮進鐵芯內部，鐵芯底部的密封與上口氣孔分開，壓空從2口和1口進入氣缸，底座彈簧推著閥板底座封住下口，3口處于關閉狀態，氣缸帶壓，閥門JBS-01V關閉。

電磁閥帶電，但是電磁閥3口有氣排出，說明電磁閥本身已經故障。

由于缺陷電磁閥型號與兩份狀態報告CR202127995《04#廠房0M旁路母管疏水控制閥PLQ-02SV自動時始終在常開狀態，未根據旁排疏水袋液位自動開關》、CR202065801《05#713主控CB528盤一級再熱蒸汽逆止閥前疏水控制閥ZR1-02SV閥門控制異常》相同，考慮有共性問題的可能，故對缺陷后電磁閥進行結構、材料檢測試驗。

分析電磁閥可能的故障部分有電磁閥線圈、電磁閥鐵芯（包括卡澀）、電磁閥復位彈簧、電磁閥密封面等，試驗結果見表1。

通過表1分析電磁閥本體可能有以下影響因素。

表1 電磁閥試驗結果Table 1 Solenoid valve test results

2.1.1 電磁閥線圈

1）線圈直阻

分析報告中電磁閥線圈阻值887Ω，JBS-01V的電磁閥2016年測量記錄960Ω，差別為73Ω。根據電磁力公式以及電磁強度可知，電磁力與電磁強度B成正比，電磁強度B與電流I成正比，電磁線圈直阻越大，電流越小，相應的電磁力越小。單從電阻值方面分析，該電磁閥線圈阻值較小，并不會導致電磁力不足。

2）線圈短路（部分短路）

排除電磁閥本身直阻問題外，電磁閥線圈因其他原因導致短路（包括匝間部分短路）也需考慮。根據Q=I2Rt可知：電阻減小，會導致線圈熱量損耗加大，從而導致電磁力不足。不僅如此，匝間短路可以類比于匝數減少，根據公式同樣可以推斷出電磁力下降。與樣本1及2016年預維樣本相比，該線圈阻值明顯偏小，不排除線圈有部分短路情況。

由于沒有同型號正常電磁閥進行對比，廠家數據中也沒有提供相應的參數，目前只能根據樣本1及之前正常使用的預維樣本進行對比分析。后續將在秦山核電一期121大修期間，對正常的電磁閥線圈進行阻值測量才能判斷電磁閥線圈是否有問題。因此，存在電磁閥線圈性能下降，導致電磁力不足以克服彈簧力的原因可能性。

3）交流電壓影響

由試驗結果可知，電磁力處于交變狀態下，電磁閥電磁力隨著交流電壓波形變化維持在5.42N～12.75N之間，彈簧的彈力為9.71N。若電磁閥鐵芯運行過程中阻力增強，電磁力大于彈簧彈力的占空比即電磁閥吸合時間占整個工作周期的百分比不夠，不足以完全吸合鐵芯，鐵芯將處于反復吸合狀態。

閥門JBS-01V在閥門阻力最小時，執行機構氣腔壓力為0.014Pa就可以克服阻力閥門關閉。JBS-01V的供氣壓力為0.24Mpa，膜片面積為67700mm2，行程為29mm，估算體積為2L左右。電磁閥反復吸合與釋放，讓JBS-01V氣缸內間斷充氣和排氣，成為一個動態平衡。當電磁閥吸合的時間小于未吸合時間，電磁閥內1、3號口泄氣導致JBS-01V氣缸內壓力無法維持0.014Pa以上的壓力時，JBS-01V打開。

JBS-01V電磁閥為2019年9月份投入使用，短短兩年的使用時間即出現卡澀情況非常少見。目前，可以通過測量電磁閥線圈阻值來反映和監測線圈的老化和性能。查詢預防性維修大綱，在JBS-01V的預防性維修中有測量電磁閥阻值的要求，但是在維修規程中沒有相應的測量步驟和記錄。

2.1.2 電磁閥鐵芯卡澀

從檢測報告中可以看出，電磁閥鐵芯沒有發現明顯異常或者磨損情況，內部也沒有發現異物，所以鐵芯卡澀的原因可以排除。

2.1.3 電磁閥復位彈簧異常

電磁閥的工作過程依次分為吸合觸動過程、吸合運動過程、保持吸合過程，及釋放過程。試驗過程中，如圖1所示電磁閥復位彈簧A彈力為9.1N，底部彈簧B彈力為0.3N～0.5N（此處可忽略不計），電磁閥帶電時電磁力為5.42N～12.75N之間，在電磁閥帶電過程中，有部分時間電磁力不足以克服彈簧彈力。

圖1 ASCO8320A020電磁閥內部結構Fig.1 Internal structure of ASCO8320A020 solenoid valve

在得電狀態下，線圈將鐵芯B往上吸合，彈簧A縮進鐵芯內部，失電時彈簧從鐵芯內松開并露出首端。而彈簧出現變形會導致線圈得電時彈簧進入鐵芯內摩擦力變大，在整個交變磁場中需要更大的電磁力才能使鐵芯克服摩擦力及彈簧彈力與線圈裝置進行吸合，這進一步減少了電磁閥有效吸合的時間。當電磁閥內1、3號口泄氣量大于1、2號口進汽量時，JBS-01V氣缸內壓力逐漸下降，導致JBS-01V打開。

由此可見，長期帶電的電磁閥存在彈簧老化變形的可能性。在狀態報告CR202127995《04#廠房0M旁路母管疏水控制閥PLQ-02SV自動時始終在常開狀態，未根據旁排疏水袋液位自動開關》中已經識別，在秦山核電一期122大修中將對長期帶電的沒有定期更換的9臺電磁閥進行更換。

2.2 通道故障

10月16日檢查發現電磁閥正常得電，說明繼電器得電，控制回路邏輯正常，故排除疏水閥控制通道故障可能。

2.3 閥門本體故障

缺陷現場疏水閥保持開狀態，更換電磁閥后，閥門正常關閉，并未出現卡澀或不動作現象，故排除此閥門本體故障可能。

綜上所述，電磁閥線圈性能下降，電磁閥彈簧變形導致電磁閥有效吸合時間減少為近期ASCO8320A020型號電磁閥故障的共性原因。

3 改進優化方式

1）檢測樣本電磁閥同型號庫存件的彈簧彈力與電磁力，與樣本電磁閥進行對比，明確彈簧彈力較大是老化導致，還是出廠本身就存現該現象。

2）定期清潔電磁閥閥體內部雜質并檢查彈簧的狀態，避免因彈簧卡澀造成電磁閥動作不到位。

3）電磁閥換型其他交流電磁閥。樣本電磁閥彈簧彈力較大，在交變磁場中存在較大占空比電磁力不足以吸合鐵芯的現象，容易導致吸合不嚴；另外樣本電磁閥彈簧較細，通電時末端反復撞擊頂部疲勞，容易發生變形導致吸合失效。

4） 現場電磁閥可換型使用直流電磁閥，解決因交流電源電磁力不足導致的動作不可靠，且能極大地消除振動與噪音。

由于現場無法針對電磁閥元器件安排糾正行動，可對電磁閥進行調研，通過增加驗收手段、委托第三方檢驗、研制交流電磁閥試驗臺架等方式，對電磁閥進行考驗。秦山核電一期除穩壓器泄壓閥使用直流電磁閥外，其余均為交流電磁閥，供電方式也已固定成型，所以整體更換成直流供電電磁閥較困難。除此之外，由于維修規程中沒有測量阻值步驟，使預防性維修中也不能及時發現電磁閥性能下降。

綜上原因考慮，給出適合秦山核電一期常規島電磁閥故障優化的糾正行動項：

a）電磁線圈性能下降問題優化及改進方式：

① 升版電磁閥采購技術規范書，增加驗收準則中原廠證明及試驗證明。

② 秦山核電一期121大修中測量同類型電磁閥阻值，對比判斷是否電磁閥線圈性能下降。

③ 預維大綱中對長帶電電磁閥增加使用檢漏液進行檢漏的要求。

b）維修規程中沒有測量阻值步驟問題的優化及改進方式：

① 梳理二回路一直帶電工作的電磁閥預防性維修大綱是否都包括了電阻值測量，如果沒有則增加。

② 梳理二回路一直帶電工作的電磁閥預防性維修規程中是否都包括了電阻值測量步驟和記錄，如果沒有則增加。

4 結語

秦山核電一期常規島電磁閥與秦山基地其他8臺機組選型不同，電磁閥額定電壓均為220VAC，其故障模式和直流電磁閥存在差異。由于電磁閥線圈處于交流電環境中，在交流電磁力作用下，電磁力處于交變狀態，電磁力大于彈簧彈力的占空比不夠時造成線圈不足以完全吸合鐵芯，鐵芯處于反復吸合狀態。當彈簧首端出現變形時，在吸合的過程中，存在彈簧不能完全進入鐵芯內部的情況，因此出現開關不嚴，漏氣的現象。電磁閥在交流電磁力作用下，鐵芯快速反復吸合。在這一過程中，鐵芯撞擊管壁導致振動與噪聲。通過增加電磁閥預防性維修檢查及備件預防性統一更換手段，提前了解電磁閥線圈斷路、短路、卡澀漏氣等情況，有效減少了因電磁閥彈簧損壞、閥芯雜質增加造成的交變磁場中有效占空比不足問題，提高了ASCO交流電磁閥在常規島的設備可靠性。