閥門(mén)診斷技術(shù)在核電廠(chǎng)設備采購中的應用

　　介紹閥門(mén)診斷系統的工作原理，以及AP1000核電項目的電動(dòng)楔式閘閥診斷試驗，重點(diǎn)分析閥 桿推力和扭矩，并將測試結果與設計計算結果進(jìn)行比較，確保閥門(mén)電動(dòng)執行機構選型的可靠性。核電閥門(mén)的診斷試驗直接顯示了閥門(mén)出廠(chǎng)時(shí)的性能參數，有助于檢驗閥門(mén)的設計要求，而且能夠使用戶(hù)通過(guò)對 比閥門(mén)出廠(chǎng)性能參數，在閥門(mén)運行后期提前發(fā)現設備隱性缺陷，有針對性地對閥門(mén)部件進(jìn)行檢修。

　　AP1000核電機組是美國西屋電氣公司設計的第三代壓水堆核電機組，目前正在我國浙江三門(mén)和山東海陽(yáng)兩個(gè)地方修建。AP1000 核電閥門(mén)數量和種類(lèi)眾多，其中核島中就有4000多臺。閥門(mén)功能是否正常，關(guān)系到核電廠(chǎng)的安全和經(jīng)濟運行，因此閥門(mén)的隱性故障能夠被提前診斷出來(lái)，就顯得十分重要。閥門(mén)診斷試驗是在閥門(mén)出廠(chǎng)時(shí)，通過(guò)測試閥門(mén)的執行機構電流/功率(電動(dòng)執行機構) 或氣壓(啟動(dòng)執行機構) 、閥桿的扭矩和推力以及閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間等參數，建立閥門(mén)的參數信息; 在閥門(mén)后期運行期間，用戶(hù)通過(guò)在線(xiàn)檢測，對比出廠(chǎng)時(shí)的診斷試驗參數，發(fā)現閥門(mén)隱性缺陷，有針對性地對閥門(mén)部件進(jìn)行檢修和更換。

　　傳統的閥門(mén)檢查方法是在機組停機或設備定期檢修時(shí)，將閥門(mén)解體進(jìn)行檢查，這種方式不但浪費時(shí)間而且維護成本很高，因此AP1000核電閥門(mén)在采購時(shí)要求很?chē)栏�，能�?dòng)閥門(mén)在出廠(chǎng)時(shí)必須做診斷試驗。

1、閥門(mén)診斷系統

　　核電閥門(mén)診斷系統的設備供應廠(chǎng)家主要有Teledyne、Crane Nuclear 及Fisher等公司。 以Teledyne閥門(mén)診斷系統為例，它主要由便攜式信號處理器及應力傳感器等部分組成。

　　1.1、便攜式信號處理器

　　便攜式信號處理器有16個(gè)端口，可同時(shí)采集16個(gè)數據，數據類(lèi)型包括閥門(mén)的啟/閉時(shí)間、閥桿的推力和扭矩、電動(dòng)執行機構的電流、電壓及功率等。該診斷系統基于Windows操作平臺的分析診斷軟件TTSQuiklookII，提供了簡(jiǎn)便的人機操作界面。在測量時(shí)可根據不同的測量需要，選用不同的傳感器采集信息，經(jīng)TTSQuiklookII分析和處理后，最終得到電動(dòng)閥門(mén)的診斷數據和曲線(xiàn)。

　　Teledyne設備的采樣頻率為1000次/s，以便于當所測電流或電壓的頻率為50Hz時(shí)，在0.02s的一次交變周期內可以有20個(gè)采樣點(diǎn)給出電流或電壓的變化情況。較為充足的采樣點(diǎn)有利于每個(gè)周期內對電流或電壓參數變化的分析和對比。此外，閥門(mén)在啟、閉過(guò)程中，推力及扭矩等信息的變化是在0.01～0.10s內變化的，只有采樣頻率足夠高才能得到較準確的變化曲線(xiàn)。

　　1.2、應力傳感器

　　應力傳感器在做出廠(chǎng)診斷試驗時(shí)，將壓力傳感器粘貼在閥桿上，試驗做完后可以保存下來(lái)繼續使用。

　　應力傳感器內表面布置有電路，當閥桿受力變形時(shí)，應變片中惠斯通電橋電阻發(fā)生變化，引起電橋的電流和電壓變化; 電流和電壓的變化數據經(jīng)處理后轉換為電信號的變化，形成閥桿推力和扭矩同輸入電信號的關(guān)系，經(jīng)過(guò)轉換即可得到推力和扭矩(圖1)。

圖1 應力傳感器工作原理

2、電動(dòng)楔式閘閥的出廠(chǎng)診斷試驗

　　2.1、閥門(mén)診斷試驗

　　本次診斷試驗的AP1000核電閥門(mén)共有8臺，是國內某廠(chǎng)生產(chǎn)的DN100、公稱(chēng)壓力為15MPa的電動(dòng)楔式閘閥，試驗中使用了TeledyneQuiklookII電動(dòng)閥門(mén)診斷系統。

　　在診斷試驗前，每個(gè)閥門(mén)進(jìn)行10次啟、閉動(dòng)作試驗，確保閥門(mén)啟、閉自如。然后每臺閥門(mén)分別進(jìn)行4次空載和帶載啟/閉試驗，測試參數包括閥桿推力、閥桿扭矩、閥門(mén)啟/閉時(shí)間、電動(dòng)執行機構的電流、電阻及功率等。

　　對于閥桿推力和閥桿扭矩，分別采集閥瓣脫離閥座時(shí)的值、最大運行值、平均運行值和閥門(mén)啟/閉時(shí)控制開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)的值。

　　2.2、閥桿推力和扭矩

　　Teledyne Quiklook II電動(dòng)閥門(mén)診斷系統采集了閥門(mén)相關(guān)參數的數據，并生成參數曲線(xiàn)，作為閥門(mén)是否需要解體檢修的判斷依據。在此選取閥桿推力和閥桿扭矩的參數曲線(xiàn)作為示例(圖2)，對閥桿推力和扭矩進(jìn)行計算分析，并對診斷試驗結果進(jìn)行比較。

圖2 閥桿推力和扭矩參數曲線(xiàn)

3、閥桿推力和扭矩的設計計算

　　對閥桿推力和扭矩進(jìn)行計算時(shí)，考慮到閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的閥桿推力和扭矩要大于開(kāi)啟時(shí)的，因而選取閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的閥桿推力和扭矩值。

　　關(guān)閉時(shí)閥桿的總軸向推力為：

　　FFZ=K1FMJ+K2FMF+FP+FT

　　式中FMF———密封面上的介質(zhì)密封力，N;

　　FMJ ———密封面處介質(zhì)作用力，N;

　　FP———閥桿徑向截面上介質(zhì)作用力，N;

　　FT———填料與閥桿的摩擦力，N;

　　K1、K2———閘閥閥桿軸向力計算系數，取K1=0.33、K2=0.87。

　　閥門(mén)設計參數(圖3)如下：

　　工作壓力pN15. 32MPa

　　閥桿直徑dF40. 0mm

　　填料寬度BT9. 5mm

　　密封面內徑DMN86.3mm

　　密封面寬度bM10. 0mm

圖3 閘板楔入閥座后的剖面

　　分別代入FWJ、FMF 、FP、FT的計算公式：

　　得出閥桿的總軸向推力為：

　　FFZ=K1FMJ+K2FMF+FP+FT=0.33×11583.82+0.87×5693.72+19251.68+12167.14=73195.02N

　　最終取1. 2的安全系數，閥桿推力設計值為：

　　1.2×FFZ=87834.02N

　　關(guān)閉時(shí)閥桿的總扭矩為：

　　MFZ=MFL+Mq=FFZ×(RFM+fg×Dgp/2)

　　式中Dgp———軸承平均直徑，取值84mm;

　　fg———軸承摩擦系數，取為0.005;

　　MFL———閥桿螺紋摩擦力矩，N;

　　Mq ———軸承摩擦力矩，N·m;

　　RFM———閥桿螺紋摩擦半徑，取值4.2mm。

　　得出閥桿扭矩：

　　MFZ=87834.02×(4.2+0.005×84/2)=387348.03N·mm

　　最終取MFZ=387N·m。

4、設計計算和測試結果的比較

　　帶載診斷試驗的管線(xiàn)壓力為12.3MPa，取閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的4臺閥門(mén)各兩次試驗的閥桿最大軸向推力和扭矩的測試結果，與計算結果作比較，見(jiàn)表1。

表1 閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的閥桿推力和扭矩

　　通過(guò)對比診斷試驗的測試值與設計計算值，可以得出如下結論：

　　a.閥門(mén)軸向推力設計值大于實(shí)際值，符合閥門(mén)設計和電動(dòng)執行機構的選型要求。

　　b.通過(guò)對診斷試驗結果的統計與整理，為每臺閥門(mén)建立性能信息檔案，以便在線(xiàn)監視閥門(mén)的運行工況，及時(shí)發(fā)現閥門(mén)的隱性缺陷，并在機組停機或閥門(mén)檢修期間有針對性地維修或更換閥門(mén)部件。

5、結束語(yǔ)

　　通過(guò)AP1000核電機組的電動(dòng)楔式閘閥出廠(chǎng)診斷試驗，說(shuō)明閥門(mén)在出廠(chǎng)時(shí)建立信息檔案和性能判別標準的必要性。閥門(mén)診斷試驗不僅加強了閥門(mén)出廠(chǎng)的質(zhì)量管理，還能夠在以后閥門(mén)運行中提前發(fā)現其隱性缺陷，保障設備安全運行，并使閥門(mén)的檢修更具針對性。這樣做既節約了維修成本又提高了檢修效率。