CARR安全棒驅動回路核級電磁閥國產化替代與驗證

朱吉印 羅忠 張天樂

1. 中國原子能科學研究院反應堆工程技術研究所 北京 102413；2. 鞍山電磁閥有限責任公司 遼寧 鞍山 114300

引言

CARR安全棒驅動機構采用水力驅動方式。安全棒驅動回路由水力驅動泵、電磁閥、過濾器及相關管道、閥門組成。驅動回路中安裝有4臺電磁閥。反應堆啟動時，通過開啟水力驅動泵、關閉電磁閥實現安全棒提升；正常停堆或緊急停堆時，水力驅動泵停止的同時電磁閥開啟，使安全棒下落至底部位置。

電磁閥是安全棒驅動回路中重要的安全部件，原電磁閥均為進口產品，使用時間已超過10年，期間發生過兩次線圈燒毀故障。開展國產化進行替代研究是必須的和必要的，國產核級電磁閥經過嚴格測試，各項指標滿足設計要求，可以很好地替代進口電磁閥，本文對相關測試內容進行介紹。

1 安全棒國產核級電磁閥介紹

安全棒國產核級電磁閥總體結構為直動式結構，斷電時打開。特點是在真空、負壓、零壓差時能正常工作，DN50以下可任意安裝，但電磁頭體積較大[1]。其主要技術參數為：安全等級為SC-3，抗震類別是I類，質保等級為QA1，電裝要求1E級，絕緣等級H級，防護等級IP65。

電磁閥與管路采用法蘭方式連接，研制的新電磁閥與原進口電磁閥的接口尺寸一致，可相互替換。

2 國產核級電磁閥檢測

國產核級電磁閥在出廠前需要進行檢測，目的是確保廠家生產的電磁閥質量符合技術標準規定的要求。其主要檢查內容包括外觀、絕緣性、絕緣強度、密封性、工作壓差、正向閥座泄漏量和水壓強度等[2]。

2.1 外觀檢查

對國產核級電磁閥外觀進行檢查，目的是保證其外觀的完好性、裝配的完整性、包絡尺寸和重量符合規定要求，主要內容有：

①電磁閥表面光潔、牢固、不應有碰傷和劃痕等缺陷；②電磁閥的標識、標記應符合產品總圖規定；③銘牌應清晰，不得有翹角和脫落；④電磁閥的裝配應符合產品圖紙規定，無螺栓松動現象；⑤電磁閥的包絡尺寸及重量應符合電磁閥參數表規定。

2.2 絕緣電阻檢查

對國產核級電磁閥絕緣性進行檢查，以保證電磁閥使用中的用電安全，其方法是電磁閥斷電，將電磁閥線圈的兩個接線端、信號組件的四個接線端分別短路連接，然后用絕緣電阻測試儀分別測定線圈接線端、信號接線端與外殼間的絕緣電阻，待測量指示穩定后開始計時，測定時間不少于10s。測得的絕緣電阻值應大于規定阻值。

2.3 絕緣強度檢查

對國產核級電磁閥進行絕緣強度檢查，目的是為了保證電磁閥具備一定的絕緣水平,使它能在長期運行電壓及過電壓的作用下不受損壞。它的安全可靠程度用耐受電壓作用的能力來衡量。其檢查方法是：

①測定前應將電磁閥外殼可靠接地。②電磁閥斷電，將電磁閥線圈兩個接線端、信號三個接線端分別短路連接，然后在高壓試驗裝置上進行測定。③將規定的測試電壓分別施加在電磁閥線圈與外殼間、信號接線端與外殼間。④測定時以測量裝置的正確指示容許的最快速度逐漸地從0V開始增加，到規定的試驗電壓后保持1分鐘，然后以裝置所容許的速度取消試驗電壓，以免引起過電壓。測定過程中不應有放電、飛弧或擊穿現象，漏電流應不大于規定電流值。

2.4 密封性檢查

對國產核級電磁閥進行密封性檢查，目的是為了及時發現電磁閥鑄造和加工中的缺陷，避免造成回路液體泄漏。密封性檢查方法是：將電磁閥的一端封堵，從另一端通以規定試驗壓力的試驗介質，保壓至規定時間。試驗期間觀察電磁閥各連接處是否出現泄漏情況。

2.5 工作壓差檢查

對國產核級電磁閥進行密封性檢查，目的是為了檢查電磁閥在工作壓差下動作情況及開關閥位指示的正確性。其檢查方法是：

2.5.1 電磁閥分別通以規定的試驗電壓，電磁閥處于關閉狀態，輸出關閥信號。

2.5.2 從電磁閥的進口通入規定壓力的試驗介質，斷電后電磁閥開啟，輸出開閥信號。電磁閥啟閉動作5次，每次動作時，觀察電磁閥的動作情況及開關閥位指示情況。每次動作過程中，電磁閥均動作靈活、無異常響聲，閥位指示正常。

2.6 正向閥座泄漏量檢查

對國產核級電磁閥進行正向閥座泄漏量檢查，以檢查電磁閥關閉性能，其方法是在規定的環境條件下，給電磁閥通規定試驗電壓使其關閉，從電磁閥的進口通以規定試驗壓力的試驗介質，出口端排空，保壓至規定時間。保壓期間，出口處應無可見泄漏。

2.7 水壓強度檢查

對國產核級電磁閥進行水壓強度檢查是為了檢驗閥門承壓件強度，使裝置能安全承受正常的操作壓力，其方法是：

2.7.1 將閥體、端蓋、管組件及六角螺栓組裝后安裝在試驗工裝上，通以規定壓力的試驗介質，保壓10min，保壓過程中，目測閥門承壓件是否出現變形或任何可見的外泄漏；

2.7.2 將閥盤組件安裝在試驗工裝上，通以規定壓力的試驗介質，保壓10min，保壓期間，承壓件及閥盤組件不得有滲漏、變形和損壞現象。

3 國產核級電磁閥回路試驗

國產核級電磁閥回路試驗是利用安全棒試驗臺架對國產核級電磁閥進行測試，通過檢驗安全棒驅動回路系統的整體功能與性能，判斷國產化核級電磁閥是否滿足安全棒驅動回路的工作要求。

3.1 動態試驗

國產核級電磁閥的動態試驗是通過對安全棒進行提棒落棒試驗，驗證國產核級電磁閥在安全棒驅動回路工作的穩定性。一共進行了2061次提棒落棒試驗[3]，安全棒的落棒時間在0.73～0.80s之間變化，落棒時間如表1所示，安全棒落棒時間滿足小于1s的設計要求，在試驗中無卡棒故障，安全棒在頂時也未出現落棒故障。

在動態試驗提棒落棒試驗中，國產核級電磁閥每次開閥動作的響應時間在10ms-30ms之間，該響應時間采用PLC編寫的開閥動作響應時間測試程序進行測量，PLC提供的最小單位時基是10ms，故測試時間為10ms的整數倍。用示波器對國產核級電磁閥開閥動作響應時間進行了隨機抽測，其結果如表1所示，整個試驗過程中，國產核級電磁閥響應時間滿足小于等于50ms的技術要求[4]。

表1 PLC與示波器測量響應時間對比關系

在動態試驗中，國產核級電磁閥溫度29.5～39.8℃之間變化，滿足國產核級電磁閥工作溫度在80℃以內的技術要求。

3.2 靜態試驗

國產核級電磁閥的靜態試驗是模擬反應堆運行期間，將安全棒一直保持在頂部，觀察電磁閥的工作特性。試驗開始后320min，國產核級電磁閥溫度由26.3℃升至61.5℃，隨后在61.5～64.2℃之間波動，滿足國產核級電磁閥工作時溫度在80℃以內的技術要求。

靜態試驗中電磁閥工作溫度比動態試驗時溫度要高約20℃，其原因是靜態試驗時安全棒保持在頂部時，國產核級電磁閥一直處于通電關閉狀態。動態試驗時，進行提棒和落棒，國產核級電磁閥處于間歇通電工作狀態，故靜態試驗中電磁閥工作溫度比動態試驗中電磁閥溫度要高一些。

在國產核級電磁閥溫度平衡區間61.5～64.2℃進行了動態試驗，安全棒的落棒時間在0.72～0.78s之間變化，響應時間在10～20ms之間變化，落棒時間和響應時間未出現異常。回路落棒時間滿足小于1s的設計要求，在試驗中無卡棒故障，安全棒在頂時也未出現落棒故障。

3.3 國產核級電磁閥和進口電磁閥對比試驗

3.3.1 靜態試驗。將安全棒提到頂，試驗開始后國產核級電磁閥和進口電磁閥溫度同步上升，國產核級電磁閥平衡溫度比進口電磁閥平衡溫度高出1～2.5℃，國產核級電磁閥溫度平衡區間61.5～64.2℃。

3.3.2 動態試驗。將安全棒提升到頂部后，進行不同狀態下的落棒試驗，其結果如表2所示。

表2 進口和國產電磁閥的落棒試驗結果

狀態1：單開進口電磁閥進行落棒試驗并記錄落棒時間；狀態2：單開國產電磁閥進行落棒試驗并記錄落棒時間；狀態3：同時開啟進口和國產電磁閥進行落棒試驗并記錄落棒時間。

4 數據分析與結論

在試驗中，安全棒提棒落棒次數大于2000次，未出現過卡棒故障和安全棒脫離上部終端等故障，落棒時間小于1s，國產核級電磁閥滿足安全棒驅動回路設計要求。

國產核級電磁閥狀態由打開到關閉的響應時間均小于50ms，通電工作時最高溫度小于80℃，響應時間和工作溫度均符合國產核級電磁閥技術規格書的設計要求。

單開國產核級電磁閥的落棒時間比單開進口電磁閥的落棒時間小，參數優于進口電磁閥，但平衡溫度點比進口電磁閥平衡溫度點高出1-2.5℃，在設計或制造工藝上還需要進一步優化。

5 結束語

通過國產核級電磁閥的檢測和國產核級電磁閥回路試驗，驗證了國產核級電磁閥各項技術指標均滿足《CARR安全棒水力驅動系統核級電磁閥技術規格書》設計要求；在裝有國產核級電磁閥的安全棒驅動回路中，安全棒落棒時間滿足小于1s的設計要求，在試驗中無卡棒故障和安全棒脫離上部終端等故障。

國產核級電磁閥能夠滿足CARR安全棒系統使用要求，可以在CARR安全棒驅動回路中替代進口電磁閥，相關技術對其他反應堆的核級電磁閥實現國產化具有借鑒意義。