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，通過測試閥門的執行機構電流/功率（電動執行機構） 或氣壓（啟動執行機構） 、閥桿的扭矩和推力以及閥門動作時間等參數，建立閥門的參數信息； 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，發現閥門隱性缺陷，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*

    核電閥門診斷系統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個數據，數據類型包括閥門的啟/閉時間、閥桿的推力和扭矩、電動執行機構的電流、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，提供了簡便的人機操作界面。在測量時可根據不同的測量需要，選用不同的傳感器采集信息，經TTSQuiklookII分析和處理后，最終得到電動閥門的診斷數據和曲線。

    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對電流或電壓參數變化的分析和對比。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使用。

    應力傳感器內表面布置有電路，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系，經過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，是國內某廠生產的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。

    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，測試參數包括閥桿推力、閥桿扭矩、閥門啟/閉時間、電動執行機構的電流、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電動閥門診斷系統采集了閥門相關參數的數據，并生成參數曲線，作為閥門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，并對診斷試驗結果進行比較。

圖2 閥桿推力和扭矩參數曲線

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    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：

    F_FZ=K₁F_MJ+K₂F_MF+F_P+F_T

    式中F_MF———密封面上的介質密封力，N；

    F_MJ ———密封面處介質作用力，N；

    F_P———閥桿徑向截面上介質作用力，N；

    F_T———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。

    閥門設計參數（圖3）如下：

    工作壓力p_N15. 32MPa

    閥桿直徑d_F40. 0mm

    填料寬度B_T9. 5mm

    密封面內徑D_MN86.3mm

    密封面寬度b_M10. 0mm

    密封比壓α_MF=18. 82MPa

圖3 閘板楔入閥座后的剖面

    分別代入F_WJ、F_MF 、F_P、F_T的計算公式：

    

    得出閥桿的總軸向推力為：

    F_FZ=K₁F_MJ+K₂F_MF+F_P+F_T

    =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×F_FZ=87834.02N

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    關閉時閥桿的總扭矩為：

    M_FZ=MF_L+M_q=F_FZ×（R_FM+f_g×Dg_p/2）

    式中D_gp———軸承平均直徑，取值84mm；

    fg———軸承摩擦系數，取為0.005；

    M_FL———閥桿螺紋摩擦力矩，N；

    Mq ———軸承摩擦力矩，N·m；

    R_FM———閥桿螺紋摩擦半徑，取值4.2mm。

    得出閥桿扭矩：

    M_FZ=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果，與計算結果作比較，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行機構的選型要求。

    b.通過對診斷試驗結果的統計與整理，為每臺閥門建立性能信息檔案，以便在線監視閥門的運行工況，及時發現閥門的隱性缺陷，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量管理，還能夠在以后閥門運行中提前發現其隱性缺陷，保障設備安全運行，并使閥門的檢修更具針對性。這樣做既節約了維修成本又提高了檢修效率。