EAS01314VB电动阀故障分析和改进方案

周梅桥

EAS01314VB电动阀故障分析和改进方案

周梅桥

（福建宁德核电有限公司，福鼎 355200）

本报告对国内某核电站EAS01314VB（安全壳喷淋系统第13号和第14号阀门，后续内容只写简称）电动阀力矩杆抖动故障的原因进行分析总结。通过收集相关资料、样品试验分析的结果及综合分析表明：该核电站EAS01314VB电动头由于一直存在力矩杆抖动的故障，会造成电动阀门不可用；EAS01314VB阀门中间位置启动时，力矩跳动问题可归结为由电动执行机构选型与远传机构、阀门不匹配造成的。

EAS01314VB安全壳喷淋系统 阀门远传机构 电动头 力矩杆

1 背景

国内某核电站1-4号机组采用成熟的二代改进型压水堆核电技术（CPR1000）1089MW核电动机组，1号机组于2012年12月28日首次并网成功，进入调试阶段。

2013年6月5日，运行当班值按计划执行T1RPA035试验，主控发出试验指令后发现1EAS013VB无法开启，导致EAS一列不可用，记第一组I0。后经电气专业现场核实发现，电动头电动和手动均失效，需更换电动头6月5日，电气专业完成对电动头整体更换，更换完毕后，主控重新执行T1RPA035试验，试验结果令人满意。但电气专业在更换完电动头后，在调试中发现当电动头停在阀门中间状态时，电动开关阀门在短脉冲开关信号下，电动阀仍无法电动操作；在长脉冲开关信号下，电动头力矩开关连续抖动（比较大的“哒哒哒”声）。6月6日，电气专业对拆下的1EAS013VB电动头解体，发现电动头内部的离合器托板已断裂解体，电动头内部的行星架已断裂。

2013年7月3日，运行按计划执行T1RPB035定期试验，主控正常开启1EAS014VB，执行关阀操作时，现场发现1EAS014VB电动头在发出数声异响后停止运行，主控再次执行关闭1EAS014VB操作后，电动头仍未动作，运行人员立即现场手动关闭该阀门。这导致EAS一列不可用，记第一组I0。将电动头置于全关位置，再电动操作数次后，电动开关正常，主控再次执行T1RPB035试验成功。电气专业初步判断此次故障是电动头力矩杆抖动造成的。

在国内其他核电站现场，1EAS01314VB在安装调试阶段，均会出现阀门处于开启无法关闭的问题，后经增大电动头力矩设定值、减少阀门盘根力矩值等措施，电动阀虽可以满足开关功能，但阀门在中间位置或全开位置重新电动操作阀门时，还存在电动头力矩开关跳动几次后才能正常动作的现象。

因为EAS01314VB阀门在中间位置和关闭时仍存在电动头力矩杆抖动的故障，导致阀门启闭故障隐患未完全根除，特对电动头力矩杆抖动故障原因和改进方案进行分析总结。

2 阀门基本情况

2.1 功能要求

EAS01314VB位于地坑，是EAS系统地坑取水管道上设置的隔离阀。阀门在电站正常运行时保持关闭状态，当发生事故且安全壳内部压力达到MAX4（安全壳内部要求高4）（0.24MPa）时，机组发出安全壳喷淋信号，EAS系统启动，但EAS系统启动初期是直接喷淋阶段，此阶段EAS喷淋水来源于PTR水箱，EAS01314VB仍处于关闭状态；待约20分钟后，PTR（反应堆和乏燃料水池冷却和处理系统）水箱水位达到MIN3（PTR水箱液位低3）时，此时，切换至再循环喷淋阶段，EAS系统从地坑取水，连接PTR水箱的阀门关闭，EAS01314VB开启，地坑水通过喷淋泵取经由这两个阀门冷却后进行安全壳喷淋，整个再循喷淋过程根据需要持续数月，因此，要求EAS01314VB一直处于开启状态。

EAS01314VB的主要功能是在失水事故或安全壳内一回路主蒸汽管道双端断裂事故期间，降低安全壳内压力和温度，排出安全壳内的热量，是防止放射性产物逸出的最后一道屏障。在机组正常运行中，EAS01314VB的其中一台不可用，导致一列EAS不可用，第一组IO，机组3天内向MCS后撤；EAS01314VB均不可用，导致两列EAS不可用，第一组IO，机组1小时内向MCS后撤；EAS01314VB由全关位置向全开位置动作，如果阀门不能开启，记EAS系统第一组I0，机组3天内后撤；阀门由全开位置向全关位置动作，如果阀门不能关闭，记EPP第一组I0，机组1小时内向MCS后撤。

通常情况下，EAS01314VB没有处于中间位置的状态，但阀门正常动作过程中存在突然断电的可能性，恢复供电后再次启动阀门，需要考虑阀门在中间位置的可操作性。

2.2 基本结构

EAS01314VB阀门由电动执行机构（即电动头）、远传机构和阀门三部分组成。电动执行机构通过阀门远传机构驱动阀杆进行开启和关闭动作。

电动头由法国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。电动头的宏观形貌见图1。电动头的主要参数如下：

功能位置码：N1EAS013VB；

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：550Nm；

转圈数：43转；

现场扭矩保护整定值：开328Nm/关328Nm。

图1　电动头的宏观形貌

远传机构由沈阳鑫通电站设备制造有限公司生产，共3 个90°转向转角，传动效率不小于80%，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。远传机构就是通过一系列的连接件将电动或人工驱动力传递到阀门，实现阀门的开启或关闭。其性能参数如下。阀门口径：DN400；阀门启阀扭矩C2：238Nm；强度试验扭矩C1：1030Nm；输出轴为Φ65mm的实心轴。

远传机构的主驱动轴安装于建筑结构的穿墙行星架中，此轴通过第一个万向联轴器驱动传动轴。在主驱动轴与第一个万向联轴器间采用花键轴和花键套的联接，以吸收土建和安装中的位置误差。在工作中，其他轴由一个或一个以上的万向联轴器相铰接，通过转向器进行90°转向，直至阀门驱动轴。建筑结构和阀门顶部安装的支撑件为不同的轴提供了导向和支撑作用。远传机构主要传动部件的作用如下。

第一，活动驱动：与驱动装置连接的驱动轴和穿墙套筒中的传动轴组件之间采用可轴向移动的华键连接，以补偿由于土建或安装所造成的轴向距离误差。

第二，实心轴：通常两端与万向联轴器相连接，传递操作扭矩。

第三，万向联轴器：为满足结构设计需要，解决土建、安装、热位移等因素造成的传动部件回转中心不同心的问题，使用万向联轴器连接各传动部件。如果结构尺寸足够，采用一对单节万向联轴器和一根实心轴，如果结构尺寸紧张，采用一个双节万向联轴器。

第四，转向器：转向器是一种将输入转矩在空间位置中改变90°后输出的装置。

第五，射线塞：焊接在建筑构件穿墙行星架中，一般安装在穿墙行星架离阀门装置较近的一侧，起屏蔽射线和隔离污染源的作用。

阀门本体为带楔形平行闸板阀（阀门RIN码：WINSSJ0400R-AYG），阀杆为单头螺纹，螺距8.47mm，由韩国三信公司制造。

2.3 控制逻辑

EAS01314VB属于强制密封阀门，阀门关闭时，通过电动执行机构力矩开关的动作控制电机停止；在开启位置通过行程位置开关触发控制电机停止，即力矩关、行程开。

阀门开启和关闭过程中，力矩开关处于可用状态，以保护阀门和电动执行机构的机械部件不致损坏。阀门全关位置开启时，为保证阀门顺利开启，电动执行机构力矩开关被短暂旁路，之后力矩开关处于可用状态。

国内在建核电站的1EAS01314VB在现场出现阀门处于开启无法关闭的问题，现场根据供应商建议，在阀门开启位置设置力矩开关旁路解决了该问题。

2.4 力矩值说明

三信公司提供阀门的启闭力矩为238NM，并按远传机构效率0.75计算电动执行机构的设定力矩值为328NM（考虑了一定的不确定度）。

电动执行机构ST70-120的额定力矩为550NM，三信公司和伯纳德公司提供函件，明确该电动执行机构的力矩设定不应超过477NM。

2.5 1EAS013VB电动头行星架断裂概况

2013年6月，运行人员在对1号机组1EAS013VB阀门远传机构做定期试验（电动开关阀门试验）时发现，电动头的手动和电动操作均失效，后解体电动头发现，电动头内部的行星齿轮支架断裂损坏，电动机的输出转矩无法传递到电动头的输出轴。

2013年6月之前，该电动头在电动开关阀门过程中（电动指令信号为电平的情况下），电动头的扭矩限制机构连续频繁动作，导致电动头连续频繁启停。在正常情况下，扭矩限制机构只有在电动头过扭矩的情况下才会动作，起保护电动头和阀门的作用。

电厂针对电动头连续频繁启停的情况，采取了以下措施：减小阀门的盘根扭矩（即减小了电动头的负载），增大电动头的扭矩保护定值（由328Nm调整为380Nm，即电动头输出扭矩超过380Nm时，电动头扭矩限制机构动作切断电动机电源）。通过以上措施，电动头扭矩机构频繁动作的现象已有所改善，但在关阀启动的短时间内还是会频繁动作几次。

3 试验与分析

2015年10月，该核电站在第2次大修中委托中核武汉核电运行技术股份有限公司（简称CNPO）在1EAS01314VB实施改造前对这两个电动阀再次进行了在线诊断，下面仅列举1EAS013VB阀门的在线诊断数据。

3.1 计算校核

1EAS013VB为W型楔式闸板阀，韩国SAMSHIN公司阀体，阀门通径DN400，压力等级CLASS 150，选配法国BERNARD公司ST70/120/K3型电动执行机构，电动执行机构与阀杆驱动套筒通过沈阳鑫通ABG4118型阀门远传机构连接。

阀门关闭密封力计算结果如表1所示。

表1　1EAS013VB阀门关闭密封力计算

3.2 现场测试

对照阀门电气接线图检查阀门控制线路，该阀门开、关分别由开限位和关力矩开关控制。开力矩开关设置有旁路bypass保护，关力矩开关未设置旁路bypass保护。开、关力矩开关分别设置在90%和90%，测试前阀门在全关位。

该阀门为带远传机构的电动闸阀，系统设备部（OSE）反映该阀门在全开位、全关位及半开位操作阀门时，力矩开关会有不同程度的窜动。根据根本原因分析，计划在第2次大修期间对电装及传动机构进行改造，即换用低速电机并配套换用多头阀杆。

改造前先对阀门初始性能进行诊断测试，测试试验主要分为四项：第一，全行程性能试验，检查电机电流电压大小，开关量动作逻辑等；第二，应力测试试验，检查阀门开关过程中阀杆推力的变化情况；第三，半开位关阀试验，验证阀门能否在半开位顺利关闭阀门；第四，半开位开阀试验，验证阀门能否在半开位置正常打开阀门。

表2　1EAS013VB阀门解体前初始性能测试结果

3.2.1 全行程及应力诊断测试

阀门全行程及应力测试的各项性能参数如表2所示，全行程测试曲线如图5所示，应力测试曲线如图6所示。

现场测试发现，阀门开关过程中阀门运行基本平稳，无明显异响；电机电流电压正常，全行程时间合格；开力矩旁路时间设置合格。

从图2中可以看出，阀门从全关位点动开阀瞬间，触发开力矩开关动作一次，但由于有旁路保护，阀门可正常开启；阀门从全开位点动关阀瞬间，触发关力矩开关动作一次（图3显示较为明显）并立刻恢复，未切断电机电源；阀门到达全关位后，关力矩开关动作，切断电机电源

图2　1EAS013VB解体前全行程测试曲线

图3　1EAS013VB解体前应力测试曲线

分析应力测试曲线可知，关力矩开关触发点推力及最终密封力满足CNPO计算标准值，也高于SAMSHIN厂家计算要求的81858N下限要求，满足密封力要求，平均摩擦力大小满足CNPO计算标准值，阀门开关过程中摩擦力测试曲线也较平稳，无异常波动。

3.2.2 半开位关阀试验

半开位关阀测试曲线如图4所示。

从曲线可知，在半开位点动关阀启动瞬间，触发关力矩开关动作一次并立刻恢复，未切断电机电源；阀门从全关位点动开阀瞬间，触发开力矩开关动作一次，但由于有旁路保护，阀门可正常开启。应力测试曲线显示，半开位至全关位时，测试摩擦力曲线也较平稳，无异常波动。

图4　1EAS013VB解体前半开位关阀测试曲线

3.2.3 半开位开阀试验

从半开位开阀测试曲线图5和图6可知，将阀门开至半开位时，继续点动开阀，触发开力矩开关动作，立刻切断电机电源，阀门无法正常开启。通过保持开阀信号，多次触发开力矩开关动作，电机多次重新启动，最终开启阀门。这是由于连续开阀时内部机械传动间隙非常小，更难带载启动，造成点动开阀失败，若将阀门关至半开位时再点动开阀，留出传动间隙，带载启动会相对容易一些。

图5　1EAS013VB解体前半开位开阀测试曲线

图6　1EAS013VB解体前半开位开阀测试曲线局部放大图

4 结论和建议

4.1 结论

阀门执行机构工作性能正常，电机工作正常；控制开关（阀门使用开限位和关力矩开关控制阀门开、关）和指示灯开关动作正常；行程时间合格，开力矩bypass旁路开关设置合格。

关力矩开关触发点推力及最终密封力满足CNPO计算标准值，也高于SAMSHIN厂家计算要求的81858N下限要求，满足密封力要求，平均摩擦力大小满足CNPO计算标准值，阀门开关过程中摩擦力测试曲线也较平稳，无异常波动。

根据试验结果可知，该阀门总体设计上存在一定缺陷，可归结为由电动执行机构选型与远传机构、阀门不匹配造成的。由于电装启动时所带静态负载较大，电装输出速度较快，启动时需要的力矩相对较大，易触发力矩开关动作，继而切断电机电源，造成点动开关阀门时不易成功。

4.2 建议

（1）更换低输出转速电动执行机构和双头螺纹阀杆组件。具体实施细节：第一，电动头执行机构更换为低转速执行机构，型号为伯纳德ST70-61，设定力矩486～600NM；第二，阀杆及阀杆螺母组件的螺纹改为双头螺纹；第三，取消阀门全开位置力矩开关旁路的设置；第四，将阀门盘根力矩调整为50～120NM。

（2）如果上述措施无效，只能取消EAS01314VB阀门的远传机构，即通过电动执行机构直接驱动阀门。

Fault Analysis and Improvement Scheme of EAS01314VB Electric Valve

ZHOU Haiqiao
(Ningde Fujian Nuclear Power Co.,Ltd.,Fuding355200)

This report on the domestic nuclear power plant EAS01314VB (safety shell spray system thirteenth and fourteenth, the following content is only for short), the reasons for the failure of the electric valve torque rod jitter analysis. Through the collection of relevant information, test sample analysis results and comprehensive analysis show that one, the nuclear power plant EAS01314VB electric head because there have always been torque rod jitter fault will cause electric valve is not available; second, start EAS01314VB valve position and torque beating problem can be reduced on the grounds of electric actuator selection and remote transmission mechanism, the valve caused by the mismatch.

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