□ 張為榮 □ 馬建光 □ 章 良 □ 陸潤杰

中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司 江蘇蘇州 215000

1 研制背景

隨著核電站隔離閥氣液聯(lián)動驅動裝置的國產(chǎn)化進程穩(wěn)步推進,驅動裝置關鍵元器件的核級提升迫在眉睫,其中以安全相關電磁閥最為重要。安全相關電磁閥由電磁閥閥體和線圈組成,電磁閥閥體采用國內(nèi)廠家按照SUN公司孔型定制生產(chǎn)的二位二通和二位三通螺紋插裝閥產(chǎn)品,所配套的線圈也是國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品[1]。

安全相關電磁閥在驅動裝置的啟閉回路和快關回路中起控制作用。快關回路中的安全相關電磁閥為螺紋插裝式常閉直動型二位二通錐閥,在斷電狀態(tài)下,彈簧力將閥芯頂開,閥芯密封錐面與閥座密封錐面形成可靠的密封,實現(xiàn)雙向隔離。當線圈通電時,鐵芯吸合,推動閥芯克服彈簧力移動,閥芯密封錐面和閥座密封錐面分離,形成流道,實現(xiàn)雙向流通。

安全相關電磁閥如圖1所示。安全相關電磁閥盡管已隨驅動裝置通過了整機核級鑒定,但是自身的技術性能、運行壽命及可靠性還需通過進一步的核級鑒定試驗進行驗證，以30 MPa下的20 000次循環(huán)老化試驗最為困難[2]。

▲圖1 安全相關電磁閥

根據(jù)試驗需求,筆者自主研制了一套多通道、多功能的集成式電磁閥綜合性能測試臺[3]。這一測試臺除了可以對安全相關電磁閥的一些技術指標進行試驗驗證外,還可以通過擴展?jié)M足其它螺紋插裝電磁閥、壓力開關、油缸的一些試驗要求。

2 電磁閥綜合性能測試臺組成

2.1 氣液系統(tǒng)

電磁閥綜合性能測試臺氣液系統(tǒng)原理如圖2所示。除框架外,電磁閥綜合性能測試臺氣液系統(tǒng)由氣壓模塊、主油路模塊、循環(huán)測試模塊、壓力測試模塊、流量測試模塊等組成。

▲圖2 電磁閥綜合性能測試臺氣液系統(tǒng)原理

在氣液系統(tǒng)中,氣壓儲能元件是一組囊式蓄能器。囊式蓄能器具有質量輕、響應速度快、油氣不易混合的優(yōu)點。液壓儲油元件為油箱,動力元件為氣液增壓泵,配套氣源處理元件。氣液增壓泵使用壓縮空氣進行驅動,適合在連續(xù)重復啟停工況下使用,滿足壓力試驗的高壓需求,并且在高壓情況下流量比較小,安全風險比較低[4]。

電磁閥綜合性能測試臺的氣壓模塊、主油路模塊、循環(huán)測試模塊、壓力測試模塊、流量測試模塊均采用集成閥組和外接管道形式,具有高集成度、安裝維護方便的特點。氣壓模塊中設計有壓力變送器,對氮氣壓力進行監(jiān)測,并使用安全閥進行超壓保護。主油路模塊也設計有壓力變送器,對泵出口油壓進行監(jiān)測。使用溢流閥進行超壓保護,并設計有先導式比例溢流閥,可使電氣控制系統(tǒng)對油壓進行精確調控。流量測試模塊分別使用壓力變送器、流量傳感器測量壓力和流量。循環(huán)測試模塊同樣使用壓力變送器對壓力進行監(jiān)測,并使用貼片式溫度傳感器對線圈溫度進行監(jiān)測。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

基于安全相關電磁閥的試驗需求,電氣控制系統(tǒng)采用上下位機結構。上位機為工業(yè)平板計算機,下位機以高速ARM控制器為核心,上下位機通過總線進行通信,實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和實時控制。系統(tǒng)響應速度快,集成度高,柔性好,可以滿足各項試驗的多功能控制需求[5]。

上位機采用工業(yè)平板計算機,面板安裝結構緊湊，防護性好，可靠性高。上位機軟件采用Labview軟件圖形化編程設計,實現(xiàn)壓力、溫度、流量等傳感器圖形化顯示,并實現(xiàn)每個電磁閥、氣液泵的單獨控制,顯示每一路電磁閥開啟和關閉響應時間。系統(tǒng)具有壽命試驗功能,能夠進行自動循環(huán)模式工作,可以設定循環(huán)次數(shù)及間隔周期。

下位機以STM32F407 ARM處理器為核心,主頻為168 MHz,帶16位外部并行總線、多路串行接口,具有直接內(nèi)存存取功能。采用50 Hz交流220 V供電,具有內(nèi)部直流24 V、150 W開關電源輸出。模擬信號采用16位AD7606 ADC轉換芯片,八路同步采樣,采樣速率為每秒20萬個采樣點。溫度采集應用MAX 31865電阻溫度探測轉換器,具有電阻溫度探測故障檢測和輸入電壓保護功能。采用標準U2機箱,可實現(xiàn)面板安裝或機架安裝,具有結構牢固、防護性好的優(yōu)點。背板采用插拔端子接口,使用方便靈活。

由于計算機和通信均無法滿足實時性要求,因此為實現(xiàn)實時性采樣,系統(tǒng)采用自定義通信協(xié)議來合理分配上下位機功能。下位機主要執(zhí)行計時任務,上位機主要實現(xiàn)顯示和操作功能。

2.3 電氣控制策略

根據(jù)試驗要求,電氣控制系統(tǒng)采用工業(yè)平板計算機和ARM控制器,組成上下位機結構,兼具計算機控制的靈活性和數(shù)據(jù)采集的實時性。上位機實現(xiàn)人機界面操作,包括數(shù)據(jù)顯示、電磁閥操作、參數(shù)設定等。下位機實現(xiàn)變送器信號處理、數(shù)據(jù)采集、開關控制、電磁閥驅動、反饋補償控制。由于電磁閥組件響應時間快,要求電氣控制系統(tǒng)的響應時間不長于0.1 ms,而計算機操作系統(tǒng)和串行通信都無法滿足系統(tǒng)實時性要求,因此實時性任務由下位機ARM控制器實現(xiàn)。上位機發(fā)送任務指令,下位機解析指令并執(zhí)行電磁閥開關動作,同時實時監(jiān)測壓力。當壓力達到指定值后,表明電磁閥開關動作完成,同時通過內(nèi)部的高速計時器計時。下位機執(zhí)行任務完成后,將測試結果發(fā)送至上位機。以上控制策略采用專門設計的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可避免計算機操作系統(tǒng)和通信產(chǎn)生延遲。

電氣控制系統(tǒng)結構模型如圖3所示,電氣控制策略框圖如圖4所示。

2.4 實物

電磁閥綜合性能測試臺實物如圖5所示,操作界面如圖6所示。

▲圖3 電氣控制系統(tǒng)結構模型

▲圖4 電氣控制策略框圖

3 試驗內(nèi)容

3.1 絕緣電阻值試驗

絕緣電阻值試驗中,電磁閥不接通電源,將線圈接線端短路,對線圈施加500 V直流電壓并保持60 s,進行多次測量。

驗收標準為在正常大氣條件下,絕緣電阻值應大于100 MΩ,事故條件下,絕緣電阻值應大于10 MΩ。

3.2 介電強度試驗

介電強度試驗在正常大氣條件下進行,電磁閥線圈處于冷態(tài)且不通介質。試驗時,將額定頻率50 Hz正弦波交流電壓施加在電磁閥線圈電路上。

驗收標準為滿足制造商規(guī)定值。

3.3 動作電壓與釋放電壓試驗

介質溫度保持低于50 ℃,供電電壓從零增大至使電磁閥狀態(tài)發(fā)生改變時的電壓值。記錄這一動作電壓,繼續(xù)使供電電壓增大至動作范圍的上限值。然后立即使供電電壓逐漸減小,減小至使電磁閥返回初始狀態(tài)時的電壓值。記錄這一釋放電壓,繼續(xù)使供電電壓減小至零。電壓每秒變化速度在任何情況下不應小于UN/30,UN為額定供電電壓。直流供電電壓允差為額定值的±10%。

▲圖5 電磁閥綜合性能測試臺實物▲圖6 電磁閥綜合性能測試臺操作界面

試驗在冷態(tài)下連續(xù)三次測量,然后在UN下通電30 min,之后在熱態(tài)下測量。

驗收標準為滿足制造商的給出值,動作電壓小于等于動作范圍的下限值,釋放電壓大于等于5%UN。

3.4 響應時間試驗

對電磁閥通入額定電壓通斷信號,使電磁閥開或閉,由壓力傳感器測量電磁閥出口側的壓力變化,同時由快速響應時間測量儀測量從電壓通斷瞬間開始至壓力增大至90%最大值，或壓力減小至10%最大值的間隔時間,前者為動作響應時間,后者為釋放響應時間,重復三次,取算術平均值作為動作響應時間或釋放響應時間。

驗收標準為響應時間不長于0.5 s。

3.5 泄漏率試驗

試驗介質為68號抗燃液壓油,分別在系統(tǒng)最大工作壓力與最小工作壓力下進行。

在電磁閥的出口側用容積法測量,測量累計時間為1 min,記錄泄漏量。

驗收標準為滿足制造商的給出值,泄漏率不高于0.7 mL/min。

3.6 密封性試驗

電磁閥處于開啟狀態(tài),出口側封閉,入口側通1.1倍公稱壓力的試驗介質,保持時間為1 min。

驗收標準為電磁閥無泄漏現(xiàn)象。

3.7 線圈允許溫度試驗

系統(tǒng)工作介質溫度低于120 ℃時,電磁閥線圈允許溫度的試驗環(huán)境溫度要求為10～40 ℃。

測量冷態(tài)電阻時,電磁閥不通介質,置于不通風的自然環(huán)境保持2 h,試驗環(huán)境溫度變化應在±2 ℃內(nèi),記錄試驗環(huán)境溫度和線圈冷態(tài)電阻。

測量熱態(tài)電阻時,電磁閥以額定電壓連續(xù)通電,直到溫度穩(wěn)定為止。斷開電源,迅速測量電磁閥配套線圈的熱態(tài)電阻,按式(1)計算溫升。計算所得線圈溫升加上電磁閥工作環(huán)境溫度范圍上限值,即為線圈的最高溫度。

T=(R2-R1)(234.5+t1)/R1+(t1-t2)

(1)

式中:T為線圈溫升;R1為冷態(tài)電阻;R2為熱態(tài)電阻;t1為冷態(tài)電阻試驗環(huán)境溫度;t2為熱態(tài)電阻試驗環(huán)境溫度。

驗收標準為線圈允許溫度不高于表1規(guī)定。

表1 線圈允許溫度 ℃

3.8 額定流量系數(shù)試驗

電磁閥按規(guī)定位置安裝,與試驗管道相連,管道中心線與電磁閥組件出入口中心線同軸。

試驗過程中,介質溫度變化在±2 ℃以內(nèi)。電磁閥前后壓差給定不小于35 kPa,且不應小于產(chǎn)品規(guī)定的最小工作壓差。

測量時,電磁閥全開,在不小于35 kPa且不小于電磁閥最小工作壓差的三個壓差下測定電磁閥的流量值,壓差增量大于15 kPa。各測量兩次,對求得的六次流量系數(shù)取算術平均值,保留三位有效數(shù)字。流量系數(shù)Kv按式(2)計算。

(2)

式中:Q為實測介質流量;ΔP為安全閥前后壓差;ρ/ρ0為相對密度。

驗收標準為滿足制造商規(guī)定值。

3.9 工作介質壓力試驗

在正常大氣條件下,電磁閥施加的介質壓力等于1.5倍最大使用壓力,壓力保持時間為1 h,然后介質壓力恢復至額定值。

試驗后測試電磁閥響應時間和泄漏率。

3.10 循環(huán)老化試驗

氣動泵動作至30 MPa,通過囊式蓄能器的循環(huán)蓄能、釋壓,以及電磁閥的通斷電來進行循環(huán)老化試驗,并使用計數(shù)器進行計數(shù)。電磁閥屬于開關型,循環(huán)老化試驗次數(shù)為20 000次。

試驗后測試電磁閥的絕緣電阻值、動作電壓、釋放電壓、響應時間和泄漏率。

4 結束語

通過自主研制的電磁閥綜合性能測試臺對安全相關電磁閥進行試驗,可以全面、嚴苛地驗證安全相關電磁閥是否滿足核電工況條件的鑒定要求,從而為核電站隔離閥氣液聯(lián)動驅動裝置提供滿足核電要求的電磁閥產(chǎn)品。

經(jīng)過長時間的不懈努力,歷經(jīng)電磁閥綜合性能測試臺的設計、制造、裝配,以及測試程序的功能調試,完成了安全相關電磁閥的測試工作,效果良好。