核安全級閥門電動裝置補充驗證方案研究

譚文治，黃一鳴，任學銘，蔣培雷

(上海儀器儀表自控系統檢驗測試所有限公司，上海 200233)

0 引言

依據《進口民用核安全設備監督管理規定(HAF604)》，需要進行補充驗證的核安全級閥門電動裝置為用戶(核電站)已完成國外工廠驗收待安裝使用的設備。設備依據配套閥門定制，其關鍵參數已由生產方調試定型并通過用戶驗收。

補充驗證方案是在用戶自行驗收的基礎上進行第三方實驗室補充測試，以確保設備性能符合使用要求，排除運輸、儲存對設備性能的潛在影響，并保證設備在補充驗證后不影響既定參數且不對設備造成損傷，以便設備能正常安裝使用。現階段不具備針對性的驗證標準或規范，主要參考標準是針對生產線末端產品的設計驗證，對性能的測試不夠全面，對產品參數的更改不可避免。部分項目對機械結構有不可逆損傷，影響裝置在核電站的后續安裝使用，缺乏適用性[1]。

本文在核安全級閥門電動裝置補充驗證的基礎上，結合主要參考標準，對核安全級電動裝置試驗數據及結果進行理論和數據分析，探討并提出適用的補充驗證方案。

1 對參考項目的理論及數據分析

目前，補充驗證方案由各核電站參照NB/T 20010.11—2010提出。這些方案普遍忽略了產品的特殊性與試驗項目的適用性，存在的共性問題包括部分試驗項目在實驗室無法順利進行、樣品在試驗后設定參數丟失、樣品部件的不可逆損傷等。這些問題影響了樣品在核電站的安裝使用，造成多方的經濟損失和安全隱患。本文對涉及的試驗項目進行理論分析，并結合實驗室數據驗證，以提出統一、適用的補充驗證規則[2]。

1.1 手動、電動切換

手動、電動切換檢查項目為NB/T 0010.11—2011的6.7項，包括空載切換與加載切換。其目的是驗證緊急情況下手動、電動切換機構的可靠性[3]。

加載試驗要求“調整轉矩控制機構至最大控制轉矩，啟動電動機并加載直至轉矩控制機構動作，停止后不卸載荷”[4]，切換手動操作，而后切換電動操作。在實驗室完全按照標準描述進行操作時，發現以下問題：在電動模式下加載制動后，力矩開關動作，使電動裝置的控制回路切斷，無法再繼續按當前方向運行；而反向運行則因載荷不卸載觸發反向力矩開關動作，造成電動裝置在力矩開關觸發后不卸負載的情況下無法進行電動操作，無法驗證切換機構的可靠性。為完成標準負載條件下的驗證測試，需對電動控制回路進行人為操作，即在切換為手動模式后將力矩開關斷開與電動控制回路的連接，使電動控制回路直接控制電機運行。因此，再次切換為電動模式后，輸出軸負載不觸發控制回路斷路，電動裝置能夠運轉，以此驗證切換機構能否在負載條件下正常切換。

加載切換項目在已經安裝好的工程現場無法實施，在實驗室可通過改變閥門的控制回路驗證切換機構的切換可靠性。在對標準測試方法進行修改補充后，可采納為驗證項目。

1.2 位置指示機構

位置指示機構檢查項目為NB/T 20010.11—2011的6.8項，要求配置機械式行程指針。此項目在標準中為選擇項，并非必要項。

核電安全級閥門電動裝置通過行程開關設置行程，通過行程控制回路實現開關位置或運行狀態的指示，并將位置信息傳輸至控制室。在這種前提下，配置機械式指針并沒有實際意義[5]。目前，在實驗室所完成的補充驗證樣品均不配機械式位置指針。位置指針并非必要項，不應采納為補充驗證項目。

1.3 堵轉轉矩

堵轉轉矩檢查項目為NB/T20010.11—2011的6.9項。試驗要求“使轉矩控制機構不起作用，電源電壓降至額定電壓的90%，啟動電動裝置并逐漸加載，直至轉矩控制機構動作”[4]。此時，測得的輸出轉矩值為堵轉轉矩。按以上方法測得的電機堵轉轉矩應大于設定控制轉矩。

實驗室依據標準方法對不同設定控制轉矩的樣品進行堵轉轉矩測試。實驗室堵轉轉矩測試數據如表1所示。

表1 實驗室堵轉轉矩測試數據

在依據標準規定的試驗方法測試中，電動裝置的運行不受力矩開關的保護作用，加載直至電機堵轉過程使設備暴露于遠超出廠設定的保護轉矩的載荷下，易使設備產生不可逆損傷。4臺樣品均出現了電機發熱現象。1#樣品與4#樣品分別承受了3.15倍和1.94倍設定扭矩值的負載，分別導致運行噪聲增大和整機無法運行[6]。

電機堵轉轉矩應大于電動裝置的設定控制轉矩，因此只需保證電機在設定控制轉矩下正常運轉，即可表明電機的堵轉轉矩大于設定控制轉矩。因此，鑒于《進口民用核安全設備補充驗證工作細則》中保證驗證項目為非破壞性、非損害性項目且不影響后續安裝使用的原則，對試驗方法進行修改優化。優化方案包括：使轉矩控制機構不起作用；把電源電壓降至額定電壓的90%；啟動電動裝置并逐漸加載至額定控制轉矩。此時，電機能正常運行而不發生堵轉。試驗方法修改后，既可驗證電機堵轉轉矩是否大于設定控制轉矩，又能避免設備的損傷。因此，堵轉轉矩檢查可采納為補充驗證項目。

1.4 最大與最小控制轉矩

最大與最小控制轉矩檢查項目為NB/T 20010.11—2011的6.10項。其目的是測試電動裝置的力矩可調范圍。在實驗室進行補充驗證的樣品中，部分樣品的力矩開關鎖死，無法調節；部分樣品調整力矩開關后，無法準確恢復出廠設定的控制力矩值。最大與最小控制轉矩檢查改變了出廠設定參數，且無法準確恢復，影響后續安裝使用[7]，不適用于核電安全級閥門電動裝置的補充驗證，不應采納為補充驗證項目。

1.5 設置轉矩

設置轉矩檢查項目為NB/T 20010.11—2011的6.11項。此項目同樣需要調整力矩開關，使力矩保護脫離出廠設定，影響后續使用，不應作為補充驗證項目。

1.6 設定控制轉矩重復性偏差

設定控制轉矩重復性偏差檢查項目為NB/T 20010.11—2011的6.11項，旨在確保力矩開關具有符合使用要求的重復性。

實驗室對不同設定控制轉矩的樣品進行實際控制轉矩的測試。

實驗室設定控制轉矩實測數據如表2所示。

表2 實驗室設定控制轉矩實測數據

4臺樣品的控制轉矩重復性偏差均在±7%范圍內，符合參考標準要求。

實驗室在對數據整理分析中，計算得到3#樣品設定轉矩誤差為10.7%。為避免此設備影響后續配套閥門的正常使用，在與核電站用戶溝通后，增加設定轉矩誤差的驗證項目，以確保該樣品在維修合格前不得在核電站安裝使用。

由表2數據可知，控制轉矩的重復性測試并不能全面驗證受試設備的力矩控制性能。對此，應補充設定控制轉矩的誤差試驗作為必要的補充驗證項目。

1.7 行程控制機構誤差

行程控制機構是用于控制電動裝置開啟、關閉位置的一種可自動切斷電源。其控制誤差直接反映電動裝置運行的控制精度并影響控制系統的平穩安全運行。行程控制機構誤差是電動裝置重要的性能指標。應將行程控制機構誤差檢查作為必要的補充驗證項目，以保證電動裝置具有可靠的行程控制性能[8]。

1.8 強度試驗

強度試驗的目的是驗證整機機械強度。試驗要求在電動裝置承受1.8倍或2倍的設定力矩的載荷后，拆解電動裝置，檢查零件損傷情況[9]。

強度試驗涉及拆解以及重新組裝，適用生產線末端產品驗證。而對于核電設施應用端的產品，拆解重組對力矩開關與行程開關等控制精度造成偏離，甚至需返廠進行組裝與調試，對設備控制性能以及后續安裝與使用有潛在影響。因此，強度試驗作為補充驗證是不適用的。

1.9 基本檢查項目

基本檢查項目[4]包括外觀檢查、電氣接線與導線檢查、電氣間隙和爬電距離、手輪與輸出軸轉動方向檢查、絕緣電阻、介電試驗、噪聲檢查。其中，手輪與輸出軸轉動方向、電氣間隙和爬電距離不因設備的運輸和儲存影響而改變，無需作為補充驗證項目。其他項目在試驗過程中，對設備出廠設定參數不作更改且不會對設備造成損傷，可以選擇性地采納為補充驗證項目。

2 核安全級閥門電動裝置補充驗證方案

基于核安全級閥門電動裝置的設計、應用理論與實驗室數據分析，本文提出以下可行的補充驗證方案。

2.1 外觀與電氣間隙、導線檢查

依據NB/T 20010.11—2010第6.2項，外觀與電氣間隙、導線檢查可設為可選項。

2.2 絕緣電阻檢查

絕緣電阻檢查建議作為選擇項。依據GB/T 3797—2016進行試驗，要求絕緣電阻≥100 MΩ[10]。

2.3 噪聲檢查

噪聲檢查在空載條件下按GB/T 3797—2016進行試驗，要求噪聲≤75 dB(A)[10]。

2.4 手動、電動切換檢查

空載條件下，從電動切換到手動或從手動切換到電動，輸出軸應能可靠轉動[11]。

負載條件下，調整轉矩控制機構至最大控制轉矩，啟動電動機并加載，直至轉矩控制機構動作；停止后不卸載荷，切換手動操作輸出軸應能可靠轉動；改變控制回路，使力矩開關不作用，切換電動模式，輸出軸應能可靠轉動。

2.5 堵轉轉矩檢查

堵轉轉矩檢查建議作為選擇項。要求為：使轉矩控制機構不起作用，電源電壓降至額定電壓的90%；啟動電動裝置并逐漸加載至設定控制轉矩，電動裝置應能正常運行，電機不應發生堵轉。

2.6 控制轉矩重復偏差檢查

產品安裝在試驗臺上，在額定供電電壓下，空載啟動電動裝置并逐漸加載，直至力矩開關動作，記錄力矩開關動作時的轉矩值。分別在開、關2個方向測量3次。

按式(1)計算開、關方向的輸出轉矩重復偏差，要求轉矩重復偏差在約定的驗收要求范圍內，可取±7%。

(1)

式中：δ1為控制轉矩的重復偏差；MS為轉矩實測值，Nm；MA為三次測量值的平均值，Nm。

2.7 控制轉矩誤差檢查

根據2.6節試驗所測數據，按式(2)分別計算開、關方向的控制轉矩誤差，要求轉矩誤差在約定的驗收要求范圍內，可取±10%。

(2)

式中：δ2為控制轉矩誤差；ME為轉矩最大或最小實測值，Nm；MZ為轉矩出廠設定值，Nm。

2.8 輸出轉速誤差檢查

將電動裝置安裝在試驗臺上，對電動裝置輸出軸施加20%～30%設定控制轉矩的負載。操作電動裝置在開、關方向各運行3次，分別記錄輸出軸轉速。按式(3)分別計算開、關方向的轉速誤差，要求輸出轉速誤差在約定的驗收要求范圍內，可取±5%。

(3)

式中：δ3為輸出轉速誤差；SE為轉速最大或最小實測值，r/min；SZ為轉速出廠設定值，r/min。

2.9 行程控制機構誤差檢查

將電動裝置安裝在試驗臺上，加載至設定控制轉矩的三分之一，運行電動裝置分別停止在“全開”和“全關”位置，以此位置作為基準。保持負載不變，操作電動裝置全開、全關分別運行3次，每次停止位置與基準位置偏差即為行程控制機構誤差。

檢查要求行程控制機構誤差在約定的驗收要求范圍內，對于多回轉電動裝置可取±5°，對于部分回轉電動裝置可取±1°[11]。

3 結論

本文結合理論分析以及實驗室數據驗證，探討并提出了具備適用性和可行性的核安全級閥門電動裝置補充驗證方案。這一方案解決了目前補充驗證方案存在的諸多問題，為核電站的設備申報工作提供了方案支持，為國家核安全局進行核安全級閥門電動裝置的復驗審查工作提供了技術支撐。該研究對今后統一的核安全級閥門電動裝置補充驗證方案制訂和標準化工作具有參考意義[12]。