介紹閥門診斷系統(tǒng)的工作原理，以及AP1000核電項目的電動楔式閘閥診斷試驗，重點分析閥 桿推力和扭矩，并將測試結(jié)果與設計計算結(jié)果進行比較，確保閥門電動執(zhí)行機構(gòu)選型的可靠性。核電閥門的診斷試驗直接顯示了閥門出廠時的性能參數(shù)，有助于檢驗閥門的設計要求，而且能夠使用戶通過對 比閥門出廠性能參數(shù)，在閥門運行后期提前發(fā)現(xiàn)設備隱性缺陷，有針對性地對閥門部件進行檢修。

　　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和山東海陽兩個地方修建。AP1000 核電閥門數(shù)量和種類眾多，其中核島中就有4000多臺。閥門功能是否正常，關系到核電廠的安全和經(jīng)濟運行，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。閥門診斷試驗是在閥門出廠時，通過測試閥門的執(zhí)行機構(gòu)電流/功率(電動執(zhí)行機構(gòu)) 或氣壓(啟動執(zhí)行機構(gòu)) 、閥桿的扭矩和推力以及閥門動作時間等參數(shù)，建立閥門的參數(shù)信息; 在閥門后期運行期間，用戶通過在線檢測，對比出廠時的診斷試驗參數(shù)，發(fā)現(xiàn)閥門隱性缺陷，有針對性地對閥門部件進行檢修和更換。

　　傳統(tǒng)的閥門檢查方法是在機組停機或設備定期檢修時，將閥門解體進行檢查，這種方式不但浪費時間而且維護成本很高，因此AP1000核電閥門在采購時要求很嚴格，能動閥門在出廠時必須做診斷試驗。

1、閥門診斷系統(tǒng)

　　核電閥門診斷系統(tǒng)的設備供應廠家主要有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個端口，可同時采集16個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包括閥門的啟/閉時間、閥桿的推力和扭矩、電動執(zhí)行機構(gòu)的電流、電壓及功率等。該診斷系統(tǒng)基于Windows操作平臺的分析診斷軟件TTSQuiklookII，提供了簡便的人機操作界面。在測量時可根據(jù)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，最終得到電動閥門的診斷數(shù)據(jù)和曲線。

　　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，在0.02s的一次交變周期內(nèi)可以有20個采樣點給出電流或電壓的變化情況。較為充足的采樣點有利于每個周期內(nèi)對電流或電壓參數(shù)變化的分析和對比。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確的變化曲線。

　　1.2、應力傳感器

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

　　應力傳感器內(nèi)表面布置有電路，當閥桿受力變形時，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(shù)據(jù)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)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系，經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可得到推力和扭矩(圖1)。

圖1 應力傳感器工作原理

2、電動楔式閘閥的出廠診斷試驗

　　2.1、閥門診斷試驗

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

　　在診斷試驗前，每個閥門進行10次啟、閉動作試驗，確保閥門啟、閉自如。然后每臺閥門分別進行4次空載和帶載啟/閉試驗，測試參數(shù)包括閥桿推力、閥桿扭矩、閥門啟/閉時間、電動執(zhí)行機構(gòu)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的值、最大運行值、平均運行值和閥門啟/閉時控制開關跳閘時的值。

　　2.2、閥桿推力和扭矩

　　Teledyne Quiklook II電動閥門診斷系統(tǒng)采集了閥門相關參數(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)，對閥桿推力和扭矩進行計算分析，并對診斷試驗結(jié)果進行比較。

圖2 閥桿推力和扭矩參數(shù)曲線

3、閥桿推力和扭矩的設計計算

　　對閥桿推力和扭矩進行計算時，考慮到閥門關閉時的閥桿推力和扭矩要大于開啟時的，因而選取閥門關閉時的閥桿推力和扭矩值。

　　關閉時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(shù)，取K1=0.33、K2=0.87。

　　閥門設計參數(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

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(shù)，閥桿推力設計值為：

　　1.2×FFZ=87834.02N

　　關閉時閥桿的總扭矩為：

　　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、設計計算和測試結(jié)果的比較

　　帶載診斷試驗的管線壓力為12.3MPa，取閥門關閉時的4臺閥門各兩次試驗的閥桿最大軸向推力和扭矩的測試結(jié)果，與計算結(jié)果作比較，見表1。

表1 閥門關閉時的閥桿推力和扭矩

　　通過對比診斷試驗的測試值與設計計算值，可以得出如下結(jié)論：

　　a.閥門軸向推力設計值大于實際值，符合閥門設計和電動執(zhí)行機構(gòu)的選型要求。

　　b.通過對診斷試驗結(jié)果的統(tǒng)計與整理，為每臺閥門建立性能信息檔案，以便在線監(jiān)視閥門的運行工況，及時發(fā)現(xiàn)閥門的隱性缺陷，并在機組停機或閥門檢修期間有針對性地維修或更換閥門部件。

5、結(jié)束語

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