閥門診斷技術(shù)在核電廠設(shè)備采購(gòu)中的應(yīng)用

2013-11-11 柏冰 國(guó)核工程有限公司

　　介紹閥門診斷系統(tǒng)的工作原理，以及AP1000核電項(xiàng)目的電動(dòng)楔式閘閥診斷試驗(yàn)，重點(diǎn)分析閥 桿推力和扭矩，并將測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，確保閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型的可靠性。核電閥門的診斷試驗(yàn)直接顯示了閥門出廠時(shí)的性能參數(shù)，有助于檢驗(yàn)閥門的設(shè)計(jì)要求，而且能夠使用戶通過對(duì) 比閥門出廠性能參數(shù)，在閥門運(yùn)行后期提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱性缺陷，有針對(duì)性地對(duì)閥門部件進(jìn)行檢修。

　　AP1000核電機(jī)組是美國(guó)西屋電氣公司設(shè)計(jì)的第三代壓水堆核電機(jī)組，目前正在我國(guó)浙江三門和山東海陽兩個(gè)地方修建。AP1000 核電閥門數(shù)量和種類眾多，其中核島中就有4000多臺(tái)。閥門功能是否正常，關(guān)系到核電廠的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此閥門的隱性故障能夠被提前診斷出來，就顯得十分重要。閥門診斷試驗(yàn)是在閥門出廠時(shí)，通過測(cè)試閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電流/功率(電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)) 或氣壓(啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)) 、閥桿的扭矩和推力以及閥門動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，建立閥門的參數(shù)信息; 在閥門后期運(yùn)行期間，用戶通過在線檢測(cè)，對(duì)比出廠時(shí)的診斷試驗(yàn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)閥門隱性缺陷，有針對(duì)性地對(duì)閥門部件進(jìn)行檢修和更換。

　　傳統(tǒng)的閥門檢查方法是在機(jī)組停機(jī)或設(shè)備定期檢修時(shí)，將閥門解體進(jìn)行檢查，這種方式不但浪費(fèi)時(shí)間而且維護(hù)成本很高，因此AP1000核電閥門在采購(gòu)時(shí)要求很嚴(yán)格，能動(dòng)閥門在出廠時(shí)必須做診斷試驗(yàn)。

1、閥門診斷系統(tǒng)

　　核電閥門診斷系統(tǒng)的設(shè)備供應(yīng)廠家主要有Teledyne、Crane Nuclear 及Fisher等公司。 以Teledyne閥門診斷系統(tǒng)為例，它主要由便攜式信號(hào)處理器及應(yīng)力傳感器等部分組成。

　　1.1、便攜式信號(hào)處理器

　　便攜式信號(hào)處理器有16個(gè)端口，可同時(shí)采集16個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括閥門的啟/閉時(shí)間、閥桿的推力和扭矩、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電流、電壓及功率等。該診斷系統(tǒng)基于Windows操作平臺(tái)的分析診斷軟件TTSQuiklookII，提供了簡(jiǎn)便的人機(jī)操作界面。在測(cè)量時(shí)可根據(jù)不同的測(cè)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)閥門的診斷數(shù)據(jù)和曲線。

　　Teledyne設(shè)備的采樣頻率為1000次/s，以便于當(dāng)所測(cè)電流或電壓的頻率為50Hz時(shí)，在0.02s的一次交變周期內(nèi)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(nèi)對(duì)電流或電壓參數(shù)變化的分析和對(duì)比。此外，閥門在啟、閉過程中，推力及扭矩等信息的變化是在0.01～0.10s內(nèi)變化的，只有采樣頻率足夠高才能得到較準(zhǔn)確的變化曲線。

　　1.2、應(yīng)力傳感器

　　應(yīng)力傳感器在做出廠診斷試驗(yàn)時(shí)，將壓力傳感器粘貼在閥桿上，試驗(yàn)做完后可以保存下來繼續(xù)使用。

　　應(yīng)力傳感器內(nèi)表面布置有電路，當(dāng)閥桿受力變形時(shí)，應(yīng)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(shù)據(jù)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，形成閥桿推力和扭矩同輸入電信號(hào)的關(guān)系，經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可得到推力和扭矩(圖1)。

應(yīng)力傳感器工作原理

圖1 應(yīng)力傳感器工作原理

2、電動(dòng)楔式閘閥的出廠診斷試驗(yàn)

　　2.1、閥門診斷試驗(yàn)

　　本次診斷試驗(yàn)的AP1000核電閥門共有8臺(tái)，是國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的DN100、公稱壓力為15MPa的電動(dòng)楔式閘閥，試驗(yàn)中使用了TeledyneQuiklookII電動(dòng)閥門診斷系統(tǒng)。

　　在診斷試驗(yàn)前，每個(gè)閥門進(jìn)行10次啟、閉動(dòng)作試驗(yàn)，確保閥門啟、閉自如。然后每臺(tái)閥門分別進(jìn)行4次空載和帶載啟/閉試驗(yàn)，測(cè)試參數(shù)包括閥桿推力、閥桿扭矩、閥門啟/閉時(shí)間、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電流、電阻及功率等。

　　對(duì)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(yùn)行值、平均運(yùn)行值和閥門啟/閉時(shí)控制開關(guān)跳閘時(shí)的值。

　　2.2、閥桿推力和扭矩

　　Teledyne Quiklook II電動(dòng)閥門診斷系統(tǒng)采集了閥門相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)，并生成參數(shù)曲線，作為閥門是否需要解體檢修的判斷依據(jù)。在此選取閥桿推力和閥桿扭矩的參數(shù)曲線作為示例(圖2)，對(duì)閥桿推力和扭矩進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)診斷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

閥桿推力和扭矩參數(shù)曲線
閥桿推力和扭矩參數(shù)曲線

圖2 閥桿推力和扭矩參數(shù)曲線

3、閥桿推力和扭矩的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　對(duì)閥桿推力和扭矩進(jìn)行計(jì)算時(shí)，考慮到閥門關(guān)閉時(shí)的閥桿推力和扭矩要大于開啟時(shí)的，因而選取閥門關(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(jì)算系數(shù)，取K1=0.33、K2=0.87。

　　閥門設(shè)計(jì)參數(shù)(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(nèi)徑DMN86.3mm

　　密封面寬度bM10. 0mm

　　密封比壓αMF 閘板楔入閥座后的剖面=18. 82MPa
閘板楔入閥座后的剖面

圖3 閘板楔入閥座后的剖面

　　分別代入FWJ、FMF 、FP、FT的計(jì)算公式：

閘板楔入閥座后的剖面

　　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(shù)，閥桿推力設(shè)計(jì)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(shù)，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(shè)計(jì)計(jì)算和測(cè)試結(jié)果的比較

　　帶載診斷試驗(yàn)的管線壓力為12.3MPa，取閥門關(guān)閉時(shí)的4臺(tái)閥門各兩次試驗(yàn)的閥桿最大軸向推力和扭矩的測(cè)試結(jié)果，與計(jì)算結(jié)果作比較，見表1。

表1 閥門關(guān)閉時(shí)的閥桿推力和扭矩

閥門關(guān)閉時(shí)的閥桿推力和扭矩

　　通過對(duì)比診斷試驗(yàn)的測(cè)試值與設(shè)計(jì)計(jì)算值，可以得出如下結(jié)論：

　　a.閥門軸向推力設(shè)計(jì)值大于實(shí)際值，符合閥門設(shè)計(jì)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型要求。

　　b.通過對(duì)診斷試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與整理，為每臺(tái)閥門建立性能信息檔案，以便在線監(jiān)視閥門的運(yùn)行工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門的隱性缺陷，并在機(jī)組停機(jī)或閥門檢修期間有針對(duì)性地維修或更換閥門部件。

5、結(jié)束語

　　通過AP1000核電機(jī)組的電動(dòng)楔式閘閥出廠診斷試驗(yàn)，說明閥門在出廠時(shí)建立信息檔案和性能判別標(biāo)準(zhǔn)的必要性。閥門診斷試驗(yàn)不僅加強(qiáng)了閥門出廠的質(zhì)量管理，還能夠在以后閥門運(yùn)行中提前發(fā)現(xiàn)其隱性缺陷，保障設(shè)備安全運(yùn)行，并使閥門的檢修更具針對(duì)性。這樣做既節(jié)約了維修成本又提高了檢修效率。