某核電廠電動(dòng)閘閥關(guān)閉過程力矩抖動(dòng)故障分析與處理

1、某核電廠電動(dòng)閘閥關(guān)閉過程力矩抖動(dòng)故障分析與處理摘要：針對(duì)電動(dòng)閘閥關(guān)閉過程中電動(dòng)機(jī)構(gòu)力矩開關(guān)頻繁抖動(dòng)故障，從閥門結(jié)構(gòu) 上對(duì)故障進(jìn)行分析，輔以理論計(jì)算為證明，確定閥門故障的根本原因和促成因素， 并提出相應(yīng)的解決方案。關(guān)鍵詞：電動(dòng)閘閥；力矩；抖動(dòng)一 、八刖言某核電項(xiàng)目是我國核電大發(fā)展新建項(xiàng)目之一，規(guī)劃總?cè)萘?臺(tái)百萬千瓦級(jí)，采用 CPR1000技術(shù)路線，1、2號(hào)機(jī)組已分別于2013年4月15日、2014年5月4日投產(chǎn)。從機(jī) 組調(diào)試開始，該核電廠已出現(xiàn)一系列的閥門缺陷，尤其是與其它電廠共性的或?qū)税踩a(chǎn)生 較大影響的缺陷還是值得生產(chǎn)廠家和設(shè)備維護(hù)部門繼續(xù)深入研究探討。電動(dòng)閘閥1EAS013/014VB抖

2、動(dòng)問題2.1缺陷描述及影響a）缺陷描述該核電廠1號(hào)機(jī)組調(diào)試期間，安全殼噴淋閥EAS013/014VB多次出現(xiàn)閥門處于開啟位置無 法關(guān)閉問題。后經(jīng)增大電動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)定力矩值和設(shè)置閥門開啟位置力矩旁路的措施，閥門可以 正常關(guān)閉。但是閥門中間位置停止，重新動(dòng)作時(shí)，均出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)力矩開關(guān)頻繁抖動(dòng)的現(xiàn)象。2013年6月，該核電廠在對(duì)1號(hào)機(jī)組EAS013VB安全殼噴淋系統(tǒng)的閥門遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)進(jìn)行定 期試驗(yàn)（電動(dòng)開關(guān)閥門）時(shí)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)頭的手動(dòng)和電動(dòng)操作均失效，解體后發(fā)現(xiàn)電動(dòng)頭內(nèi)部的 行星架斷裂。更換新行星架后，閥門可以啟閉，但電動(dòng)機(jī)構(gòu)力矩開關(guān)頻繁抖動(dòng)的現(xiàn)象仍然存 在。b）缺陷影響根據(jù)該核電廠核安全系統(tǒng)相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備定期

3、試驗(yàn)監(jiān)督大綱要求，功率運(yùn)行期間， EAS013/014VB每?jī)稍麻_關(guān)動(dòng)作一次，以檢查閥門動(dòng)作功能。EAS013 /014VB作為貫穿件閥門 如果試驗(yàn)過程中發(fā)生閥門無法關(guān)閉故障，將記EPP4第一組10，1小時(shí)內(nèi)機(jī)組開始向MCS模 式后撤。2.2缺陷分析a）設(shè)備概況EAS013/014VB閥門由電裝（電動(dòng)頭）、遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)和閥門本體三部分組成。電裝由法國Bernard （伯納德）公司生產(chǎn)，主要由減速機(jī)構(gòu)、扭矩測(cè)量機(jī)構(gòu)、限位、扭矩 開關(guān)、驅(qū)動(dòng)裝置及電動(dòng)機(jī)等組成，型號(hào)：ST70/120/K3；生產(chǎn)編號(hào)：09L02467.002；功率： 4.5KW；額定電壓：380V；額定電流：9.2A；額定轉(zhuǎn)速：120r

4、pm；額定輸出扭矩：700Nm； 轉(zhuǎn)圈數(shù)：43轉(zhuǎn)；現(xiàn)場(chǎng)扭矩保護(hù)整定值：開380Nm/關(guān)380Nm。遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)由沈陽鑫通電站設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)，主要由一系列的軸、萬向聯(lián)軸器、滑 動(dòng)傳動(dòng)件、關(guān)節(jié)軸承、轉(zhuǎn)向器、閥門連接件、標(biāo)尺、標(biāo)尺板等零部件組成。廠家設(shè)計(jì)傳動(dòng)效 率不小于80%。閥門本體由韓國三信生產(chǎn)，型號(hào)為帶楔塊的雙板平板閘閥（RIN:WINSSJ0400 R-AYG），閥 桿為單頭螺紋，螺距8.47mm，閥門為強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)，關(guān)閉限位為力矩關(guān)。b）結(jié)構(gòu)分析：抖動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理：電動(dòng)頭通過電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)后面的遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)來開關(guān)閥門，當(dāng) 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，由于整個(gè)閥門遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)系統(tǒng)靜止，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從零要

5、增加到額定轉(zhuǎn)速需 要很大的角加速度。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)候的扭矩大于電動(dòng)頭上的扭矩限制器允許范圍，造成扭矩 限制器保護(hù)動(dòng)作，使得電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)就保護(hù)停止，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是電動(dòng)機(jī)稍微轉(zhuǎn)了一下 就停止。電動(dòng)機(jī)一旦停止，在其減速過程中其輸出扭矩就會(huì)比扭矩限制器所設(shè)定的值小，由 于開（關(guān)）閥門信號(hào)一直存在，電動(dòng)機(jī)馬上就會(huì)重新啟動(dòng)，由于上面的原因還是微微轉(zhuǎn)一下 又出現(xiàn)保護(hù)停止，此現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生即造成了抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。通過根本原因分析法，將閥門本體、遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)、電動(dòng)裝置中可導(dǎo)致閥門啟動(dòng)過程中力矩抖動(dòng)的因素逐一列出，分析各個(gè)因素的可能性。如上表格，初步得出可能因素后，需要必要的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或理論計(jì)算作為依據(jù)，以進(jìn)一步 確認(rèn)

6、根本原因分析的合理性和準(zhǔn)確性。c）理論分析：由于設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不全，故對(duì)部分相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理假設(shè)，用理論力學(xué)計(jì)算在啟動(dòng)瞬間 施加在遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)上的平均扭矩和功率。遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)傳動(dòng)桿外徑do=0.102m，內(nèi)徑di=0.063m，傳動(dòng)桿總長度約為8m，傳動(dòng)桿密度p = 7.81t/m3施加在傳動(dòng)桿上的扭矩為M，單位Nm；測(cè)試表明，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后約0.036s后達(dá)到扭矩開關(guān)上限值，引起扭矩保護(hù)動(dòng)作?？芍?裝啟動(dòng)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)間大于0.036s，可假設(shè)系統(tǒng)一次啟動(dòng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間為0.05s，計(jì) 算啟動(dòng)時(shí)間施加在遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)上的扭矩。遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)慣性矩計(jì)算合理假設(shè)傘齒輪、傳動(dòng)桿支承軸、閥門傳動(dòng)部件摩擦阻力扭矩為總扭

7、矩的20% ；閥門阻 力扭矩為總扭矩的15%。則慣性阻力扭矩為總扭矩的65%。從上述計(jì)算可知，啟動(dòng)角加速度越大，遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)所需啟動(dòng)扭矩越大（成正比例關(guān)系）。 以上計(jì)算主要是為了對(duì)啟動(dòng)過程負(fù)載扭矩有一個(gè)理論性的認(rèn)識(shí)，用以分析閥門啟動(dòng)過程力矩 抖動(dòng)的原因，也對(duì)提出改進(jìn)建議有所幫助。由計(jì)算可知，啟動(dòng)初期，電裝的阻力矩主要來自 遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)的慣性矩，而非閥門本體的阻力矩。因此適當(dāng)降低電裝啟動(dòng)角加速度可有效降低啟 動(dòng)負(fù)載和扭矩，消除扭矩超限造成的力矩開關(guān)頻繁動(dòng)作。2.3解決問題的對(duì)策通過對(duì)故障設(shè)備結(jié)構(gòu)和理論的分析，可得出結(jié)論：閥門啟動(dòng)階段的主要原因來自與啟動(dòng) 階段的較大的慣性矩帶來的較大啟動(dòng)阻力矩，該慣性矩是

8、本套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（高速電裝與長遠(yuǎn)傳 機(jī)構(gòu)的組合）的固有特性?？紤]到事故工況下的環(huán)境劑量率和設(shè)備手動(dòng)操作的可能性，目前 遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、布置方式等不宜改動(dòng)。從克服較大啟動(dòng)力矩的角度出發(fā)，解決方案可分為 增大動(dòng)力或減小阻力。方案1進(jìn)一步增大電裝輸出扭矩可行性分析：寧德現(xiàn)場(chǎng)前期出現(xiàn)閥門卡澀缺陷后，根據(jù)廠家建議，將電裝輸出力矩增大 至440Nm，重新試驗(yàn)，閥門卡澀故障消除，閥門可以正常啟閉，但啟動(dòng)過程中的抖動(dòng)現(xiàn)象依 然存在。三信與伯納德聯(lián)合提供的函件中，明確表示該電裝輸出扭矩不應(yīng)超過477Nm。因此 該方案可作為現(xiàn)階段的臨時(shí)處理措施，保證閥門現(xiàn)階段的功能可用，但不能根本上消除抖動(dòng) 缺陷。方案2更換低輸出轉(zhuǎn)

9、速電裝可行性分析：從上述論證可知，降低轉(zhuǎn)速可從根本上減小啟動(dòng)阻力矩，該方案理論上可 行。綜合考慮設(shè)備布置、電氣線路、DCS信號(hào)邏輯等因素，查詢伯納德產(chǎn)品手冊(cè)，初步選定 與現(xiàn)有電裝同系列產(chǎn)品伯納德ST70-61。與目前電裝參數(shù)對(duì)比如下：從上表對(duì)比可以看出，改進(jìn)后電裝結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量完全相同，電氣參數(shù)變化較小，基本 可以滿足直接更換需求。選用低速電裝后，轉(zhuǎn)速降低為原來的1/2，理論上無法滿足閥門動(dòng)作時(shí)間要求（25s）， 因此需要同時(shí)增加閥桿的導(dǎo)程，即將閥桿和閥桿螺母螺紋改為雙頭螺紋，此改造不變動(dòng)閥門 本體結(jié)構(gòu)，可行性強(qiáng)。綜上所述，EAS013/014VB閥門啟動(dòng)過程中力矩抖動(dòng)的根本原因可歸結(jié)為，電裝選型與遠(yuǎn) 傳機(jī)構(gòu)的不匹配。經(jīng)論證，更換低轉(zhuǎn)速電裝，同時(shí)增加閥桿螺紋導(dǎo)程可根本上解決該問題。3.結(jié)束語隨著國內(nèi)核電機(jī)組的大批建設(shè)，進(jìn)口閥門設(shè)備的故障也越來越多，中國核電正處于大發(fā) 展的時(shí)期，由于核電設(shè)備的穩(wěn)