某核电厂电动闸阀关闭过程力矩抖动故障分析与处理

某核电厂电动闸阀关闭过程力矩抖动故障分析与处理

李振海李全勇

（福建宁德核电有限公司电厂，福建福鼎355200）

摘要：针对电动闸阀关闭过程中电动机构力矩开关频繁抖动故障，从阀门结构上对故障进行分析，辅以理论计算为证明，确定阀门故障的根本原因和促成因素，并提出相应的解决方案。

关键词：电动闸阀；力矩；抖动

1.前言

某核电项目是我国核电大发展新建项目之一，规划总容量6台百万千瓦级，采用CPR1000技术路线，1、2号机组已分别于2013年4月15日、2014年5月4日投产。从机组调试开始，该核电厂已出现一系列的阀门缺陷，尤其是与其它电厂共性的或对核安全产生较大影响的缺陷还是值得生产厂家和设备维护部门继续深入研究探讨。

2.电动闸阀1EAS013/014VB抖动问题

2.1缺陷描述及影响

a)缺陷描述

该核电厂1号机组调试期间，安全壳喷淋阀EAS013/014VB多次出现阀门处于开启位置无法关闭问题。后经增大电动机构设定力矩值和设置阀门开启位置力矩旁路的措施，阀门可以正常关闭。但是阀门中间位置停止，重新动作时，均出现电动机构力矩开关频繁抖动的现象。

2013年6月，该核电厂在对1号机组EAS013VB安全壳喷淋系统的阀门远传机构进行定期试验（电动开关阀门）时发现电动头的手动和电动操作均失效，解体后发现电动头内部的行星架断裂。更换新行星架后，阀门可以启闭，但电动机构力矩开关频繁抖动的现象仍然存在。

b)缺陷影响

根据该核电厂《核安全系统相关系统与设备定期试验监督大纲》要求，功率运行期间，EAS013/014VB每两月开关动作一次，以检查阀门动作功能。EAS013/014VB作为贯穿件阀门如果试验过程中发生阀门无法关闭故障，将记EPP4第一组I0，1小时内机组开始向MCS模式后撤。

2.2缺陷分析

a)设备概况

EAS013/014VB阀门由电装（电动头）、远传机构和阀门本体三部分组成。

电装由法国Bernard（伯纳德）公司生产，主要由减速机构、扭矩测量机构、限位、扭矩开关、驱动装置及电动机等组成，型号：ST70/120/K3；生产编号：09L02467.002；功率：4.5KW；额定电压：380V；额定电流：9.2A；额定转速：120rpm；额定输出扭矩：700Nm；转圈数：43转；现场扭矩保护整定值：开380Nm/关380Nm。

远传机构由沈阳鑫通电站设备制造有限公司生产，主要由一系列的轴、万向联轴器、滑动传动件、关节轴承、转向器、阀门连接件、标尺、标尺板等零部件组成。厂家设计传动效率不小于80%。

阀门本体由韩国三信生产，型号为带楔块的双板平板闸阀（RIN:WINSSJ0400R-AYG），阀杆为单头螺纹，螺距8.47mm，阀门为强制密封结构，关闭限位为力矩关。

b)结构分析：

抖动现象的机理：电动头通过电动机传动减速机构带动后面的远传机构来开关阀门，当电动机启动的时候，由于整个阀门远传机构系统静止，电动机转速从零要增加到额定转速需要很大的角加速度。电动机启动时候的扭矩大于电动头上的扭矩限制器允许范围，造成扭矩限制器保护动作，使得电动机刚启动就保护停止，表现出来的现象就是电动机稍微转了一下就停止。电动机一旦停止，在其减速过程中其输出扭矩就会比扭矩限制器所设定的值小，由于开（关）阀门信号一直存在，电动机马上就会重新启动，由于上面的原因还是微微转一下又出现保护停止，此现象重复发生即造成了抖动现象的发生。

通过根本原因分析法，将阀门本体、远传机构、电动装置中可导致阀门启动过程中力矩抖动的因素逐一列出，分析各个因素的可能性。

如上表格，初步得出可能因素后，需要必要的现场试验或理论计算作为依据，以进一步确认根本原因分析的合理性和准确性。

c)理论分析：

由于设备设计数据不全，故对部分相关数据进行合理假设，用理论力学计算在启动瞬间施加在远传机构上的平均扭矩和功率。

远传机构传动杆外径do=0.102m，内径di=0.063m，传动杆总长度约为8m，传动杆密度ρ＝7.81t/m3

施加在传动杆上的扭矩为M，单位Nm；

测试表明，电动机启动后约0.036s后达到扭矩开关上限值，引起扭矩保护动作。可知电装启动到达额定转速时间大于0.036s，可假设系统一次启动达到额定转速的时间为0.05s，计算启动时间施加在远传机构上的扭矩。

远传机构惯性矩计算

合理假设伞齿轮、传动杆支承轴、阀门传动部件摩擦阻力扭矩为总扭矩的20%；阀门阻力扭矩为总扭矩的15%。则惯性阻力扭矩为总扭矩的65%。

从上述计算可知，启动角加速度越大，远传机构所需启动扭矩越大（成正比例关系）。以上计算主要是为了对启动过程负载扭矩有一个理论性的认识，用以分析阀门启动过程力矩抖动的原因，也对提出改进建议有所帮助。由计算可知，启动初期，电装的阻力矩主要来自远传机构的惯性矩，而非阀门本体的阻力矩。因此适当降低电装启动角加速度可有效降低启动负载和扭矩，消除扭矩超限造成的力矩开关频繁动作。

2.3解决问题的对策

通过对故障设备结构和理论的分析，可得出结论：阀门启动阶段的主要原因来自与启动阶段的较大的惯性矩带来的较大启动阻力矩，该惯性矩是本套驱动机构（高速电装与长远传机构的组合）的固有特性。考虑到事故工况下的环境剂量率和设备手动操作的可能性，目前远传机构的结构、布置方式等不宜改动。从克服较大启动力矩的角度出发，解决方案可分为增大动力或减小阻力。

方案1进一步增大电装输出扭矩

可行性分析：宁德现场前期出现阀门卡涩缺陷后，根据厂家建议，将电装输出力矩增大至440Nm，重新试验，阀门卡涩故障消除，阀门可以正常启闭，但启动过程中的抖动现象依然存在。三信与伯纳德联合提供的函件中，明确表示该电装输出扭矩不应超过477Nm。因此该方案可作为现阶段的临时处理措施，保证阀门现阶段的功能可用，但不能根本上消除抖动缺陷。

方案2更换低输出转速电装

可行性分析：从上述论证可知，降低转速可从根本上减小启动阻力矩，该方案理论上可行。综合考虑设备布置、电气线路、DCS信号逻辑等因素，查询伯纳德产品手册，初步选定与现有电装同系列产品伯纳德ST70-61。与目前电装参数对比如下：

从上表对比可以看出，改进后电装结构尺寸、质量完全相同，电气参数变化较小，基本可以满足直接更换需求。

选用低速电装后，转速降低为原来的1/2，理论上无法满足阀门动作时间要求（<25s），因此需要同时增加阀杆的导程，即将阀杆和阀杆螺母螺纹改为双头螺纹，此改造不变动阀门本体结构，可行性强。

综上所述，EAS013/014VB阀门启动过程中力矩抖动的根本原因可归结为，电装选型与远传机构的不匹配。经论证，更换低转速电装，同时增加阀杆螺纹导程可根本上解决该问题。

3.结束语

随着国内核电机组的大批建设，进口阀门设备的故障也越来越多，中国核电正处于大发展的时期，由于核电设备的稳定性要求高，堆形相同的电厂使用的设备也基本相同；因此几家主要的国外阀门供应商订单压力陡增，现在已出现制造商向东南亚国家分包的情况，进口阀门的质量状况已呈现下降趋势，进口设备的质量问题需要加强关注。

参考文献：

[1]陆培文.实用阀门设计手册，2007.9

[2]秦大同，谢里阳.现代机械设计手册，2011.1