黃佳平

(中核檢修有限公司,浙江 海鹽 314300)

氣動閥門在核電站系統(tǒng)中被大量的使用, 作為工藝控制設(shè)備, 氣動閥的在核電站的運行中起著非常重要的調(diào)控作用。氣動閥門性能的好壞直接關(guān)系到核電站是否能安全有效的運行，是否能正常開展生產(chǎn)作業(yè)。為此，核電站每年在停堆換料期間都會執(zhí)行機組大修，這其中就包含了對各個系統(tǒng)的氣動閥檢修作業(yè)，期望通過正確而有效的預(yù)維護和檢修,保障閥門的使用性能。核電站在以前對氣動閥門檢修的策略以“保守為主”，即在氣動閥門發(fā)生故障前不執(zhí)行預(yù)維護， 是一種被動的維修策略，維修的方式則是解體更換備件等方法，效率低下。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，能夠運用到核電站氣動閥診斷檢修的軟硬件設(shè)備日趨成熟，使閥門診斷檢修技術(shù)在核電站大修期間的氣動閥的檢修過程中發(fā)揮著巨大的作用，特別是能和定位器配套使用的相關(guān)診斷設(shè)備，使得此項工作化繁為簡。

1 氣動閥檢修現(xiàn)狀

1.1 氣動閥的原理及結(jié)構(gòu)

核電站的生產(chǎn)作業(yè)是由成千上百個控制回路組成的，每一個控制回路都經(jīng)過設(shè)計以保證重要的過程變量如壓力、流量、液位、溫度等不超過要求的工作范圍。每一個回路都會接受并從內(nèi)部產(chǎn)生擾動[1]，這些干擾會影響系統(tǒng)，因此氣動閥作為一種終端控制元件用于調(diào)節(jié)流體(氣體、蒸汽、水或化學(xué)混合物等)以補償負載擾動。驅(qū)動控制閥的能量來自于壓縮空氣的為氣動閥，它由閥體、閥內(nèi)零部件、提供閥門操作驅(qū)動力的執(zhí)行機構(gòu)、以及閥門附件組成，閥門附件包括定位器、轉(zhuǎn)換器、供氣壓力調(diào)節(jié)器、手動操作器、阻尼器或限位開關(guān)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示：

圖1 常見氣動閥的執(zhí)行機構(gòu)及部分附件圖

1.2 氣動閥檢修的問題

核電站的氣動閥存在各個生產(chǎn)系統(tǒng)之中，控制的流體不同，使用的頻率相差很大，但有一個共同點，即對出現(xiàn)擾動的情況時能馬上消除擾動，將系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)整至設(shè)定值，因此氣動閥的靈敏度必須高、安全性能必須好。為了達到以上目的，核電站在大修期間，會對部分氣動閥進行檢修，結(jié)合近幾年的檢修工單來看，氣動閥容易出現(xiàn)的問題主要是閥門無法落座到位，閥門響應(yīng)時間滯后，閥門的內(nèi)漏參數(shù)超標，閥桿行程不精確等。盡管通過有策略的更換備件能解決部分問題，但在回裝閥門后驗證維修效果時出現(xiàn)的新問題卻難以判斷是什么原因引起，更缺少具體化的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)，尤其是閥內(nèi)件的運行狀態(tài)，更是難以掌握，因此，引入閥門維修前后的診斷檢修技術(shù)十分有必要。

2 氣動閥診斷檢修技術(shù)的介紹

核電站使用的氣動閥診斷檢修技術(shù)主要依靠一套較為成熟的氣動閥檢修診斷裝置，該套裝置包含了對應(yīng)的計算機軟硬件、傳感器、操作器等，使用時通過傳感器或定位器采集閥門的整體運行參數(shù)，在專業(yè)軟件上顯示并可實現(xiàn)編輯參數(shù)以調(diào)整閥門的運行狀態(tài)，再通過技術(shù)人員對設(shè)備的調(diào)校后采集新數(shù)據(jù)，并重復(fù)試驗驗證閥門運行效果，最終使其滿足相關(guān)要求。閥門診斷維修的流程如圖2。

為方便理解診斷裝置及檢修技術(shù)在實際過程中的應(yīng)用，以下將選擇常用的一種氣動閥診斷工具作介紹。這是一種適合艾默生的FISHER牌定位器一起使用的專用診斷裝置，計算機使用windows操作系統(tǒng)，操作軟件為Valvelink，采用的數(shù)字信號為HART通訊協(xié)議。使用時接線如下圖3所示，將數(shù)據(jù)線連接計算機和接線盒的HART數(shù)據(jù)接口，通過內(nèi)部線路板連接閥門定位器，同時，通過控制診斷軟件采集閥門的行程、閥桿摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)后，調(diào)節(jié)閥門行程增益等參數(shù)，再依靠眾多定位器的數(shù)據(jù)和科學(xué)的邏輯運算，可得出準確的診斷結(jié)果。

圖2 閥門診斷維修的流程

圖3 氣動閥使用在線診斷工具連接原理圖

3 氣動閥診斷工具的應(yīng)用

在檢修核電站大氣釋放閥(以下簡稱ASDV)時，該閥尺寸大、壓力等級高(6in/CL600)，閥門所屬系統(tǒng)為主蒸汽系統(tǒng)，而該閥門的作用是作為在汽輪機凝汽器不可用的時候，可用于排放蒸汽，在特殊時候可作為核電站的熱陷，由此可見，該類氣動閥的檢修效果非常重要。因此，對大氣釋放閥的檢修主要按閥門維修前診斷，閥門解體維護，閥門定位器校準，維修后診斷、在線試驗等步驟進行。其中，對閥門的診斷工作將貫穿于整個檢修過程，并將作為閥門檢修成功的主要驗證方法，閥門的診斷可按以下方式逐一展開。

3.1 閥門狀態(tài)的全面掃描

在進行ASDV的解體檢修前，先對閥門的彈簧預(yù)緊力、閥桿行程、填料狀況、閥座狀況、閥座關(guān)閉力等各項參數(shù)做一次全面的診斷，以掌握閥門維修前的運行狀況，查看是否有明顯的故障表現(xiàn)，為解體檢修提供數(shù)據(jù)支持，其診斷特征圖如下圖4所示。

在進行閥門診斷后，我們發(fā)現(xiàn)從行程壓力(Actuator pressure)、閥門行程(Travel)、輸入值(Input)、驅(qū)動信號(Drive Signal)可以判斷閥門在運行過程中的問題。在數(shù)據(jù)分析欄中，閥門動態(tài)誤差的平均誤差(Avg.Dynamic Error)實際值為5.14%，超過了5%的安全值，說明閥門在走上下行程時有較大的波動，這將影響閥門運行的局部穩(wěn)定性。

隨后觀察閥門在進行上下行程時產(chǎn)生的行程壓力回程差(上行程-下行程)，除了在全關(guān)處差的差值較大外，其余基本穩(wěn)定在較小值，說明閥門運行過程總體穩(wěn)定、順暢。

全面掃描數(shù)據(jù)分析完成后，對其他參數(shù)進行分析，查看是否有問題，這臺ASDV在做階躍響應(yīng)(Step Response)測試時出現(xiàn)了問題，查看測試響應(yīng)圖5。

圖4 檢修前閥門診斷掃描結(jié)果

圖5 維修前閥門階躍響應(yīng)測試診斷圖

觀察上圖的數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn)，閥門在上行程閥位0%、下行程閥位75%、50%、25%處有超調(diào)現(xiàn)象(Overshoot)，在測試圖上明顯能看出(圓圈標記處)實際運行過程中該閥門的行程超調(diào)值百分比各為4.85%，6.59%，4.97%，5.62%，均值超過標準值(5%)，雖然在全關(guān)處閥位在標準值范圍內(nèi)，但作為蒸汽系統(tǒng)需要精確控制的閥門，超調(diào)勢必影響閥門行程的準確定位，需修復(fù)。

3.2 根據(jù)診斷結(jié)果的閥門維修調(diào)校

基于維修前的診斷結(jié)果，在對ASDV做檢修前的診斷完成后，結(jié)合維修策略，對閥門的調(diào)校按閥門本體和執(zhí)行機構(gòu)兩部分做調(diào)校檢修作業(yè)。

(1)本體檢修方面，按照維修策略，對閥門進行填料更換工作，更換法蘭墊片，清理修復(fù)閥芯閥座組件、清理閥桿閥塞組件、執(zhí)行閥門密封試驗。以上工作可解決閥座關(guān)閉力不足、閥桿摩擦力過大引起的動態(tài)誤差過大現(xiàn)象，同時使閥桿運行順暢，閥門內(nèi)漏等參數(shù)符合核電站的規(guī)程要求。

(2)執(zhí)行機構(gòu)檢修方面，在閥門離線狀態(tài)下，對閥門做定位器校驗，按照校驗單將電流信號發(fā)生器連接至接線盒的通訊端口，用電流信號發(fā)生器向閥門定位器發(fā)送信號，按照閥門標定單依次輸入4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20mA、16 mA、12 mA、8 mA、4mA 的電流值，觀察閥門上的位置指示是否準確移動到相對應(yīng)的行程刻度0%、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0%處，結(jié)果如表1。因該ASDV閥門的標定精度要求為5%，查下表可知，閥門的行程符合要求。

表1 氣動閥執(zhí)行機構(gòu)診斷后校驗數(shù)據(jù)表

在完成以上兩項調(diào)校步驟后，雖然閥門的行程滿足了要求，但是在其他方面，如閥桿摩擦力、閥座落座情況、閥門相應(yīng)仍需通過進一步確認，所以使用診斷工具進行維修后診斷十分必要。

3.3 閥門維修后的診斷調(diào)校驗證

在對氣動閥進行維修調(diào)校后，閥門處于最佳的功能性狀態(tài)，需通過診斷工具對閥門的運行進行測試，參照維修前的診斷模式，掃描閥門的工作情況，具體結(jié)果如下圖6所示。調(diào)校維修后，閥門的動態(tài)平均誤差已保持在5%以內(nèi)，符合要求。閥門行程壓力、閥門行程及閥門的驅(qū)動信號和輸入信號的對應(yīng)關(guān)系符合標準，未出現(xiàn)明顯波動。

最后，通過階躍響應(yīng)(Step Response)測試觀測閥門在運行過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是否滿足要求。因在維修前進行診斷發(fā)現(xiàn)閥門的定位器響應(yīng)系數(shù)為H，增益為8.4，響應(yīng)速度為4.2時，出現(xiàn)了閥門的超調(diào)現(xiàn)象，本次測試將增益值降低為6.0，同時提高響應(yīng)速度為6.0，如圖7，再運行閥門時，發(fā)現(xiàn)超調(diào)均值已從5%降低到0.2%，滿足系統(tǒng)對閥門性能的要求。

使用閥門診斷工具后，在維修閥門的過程中，幫助技術(shù)人員掌握閥門的運行參數(shù)，及時調(diào)整維修校準方向，解決閥門出現(xiàn)的問題，非?？旖?、實用。

圖6 檢修后閥門診斷掃描結(jié)果

圖7 維修后閥門階躍響應(yīng)測試診斷圖

4 閥門診斷技術(shù)的局限性

閥門診斷技術(shù)雖然可以方便的輔助技術(shù)人員進行閥門維修，可是由于閥門和定位器的品牌種類不一而同，需要依靠對應(yīng)的閥門診斷工具來實現(xiàn)診斷，否則所測得的數(shù)據(jù)將毫無實際意義；閥門診斷工具的開發(fā)周期較長，價格昂貴，且需操作者據(jù)有一定的技能才能熟練使用。當(dāng)然，以上的局限性并不妨礙閥門診斷技術(shù)成為今后核電站氣動閥檢修的有效技術(shù)手段。

5 結(jié)束語

本文探討了核電站氣動閥的維修現(xiàn)狀和問題，結(jié)合現(xiàn)有的診斷檢修技術(shù)，采用艾默生公司旗下FINSHER的VALVELINK軟件作為診斷工具對核電站的大氣壓力釋放閥ASDV進行測試，解決了閥門超調(diào)等故障內(nèi)容。閥門診斷檢修技術(shù)是現(xiàn)代閥門檢修技術(shù)的發(fā)展和延伸，它能使閥門的檢修時間大幅縮短，檢修的結(jié)果有所依據(jù)，可廣泛運用于各個場合的氣動閥，值得推廣。