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重水堆核電站汽機(jī)主跳閘電磁閥故障分析與診斷

2023-08-10 08:13:40徐海心湯志翔
儀器儀表用戶 2023年9期
關(guān)鍵詞:卡澀油泥硅藻土

趙 宇,徐海心,湯志翔,黃 穎

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 31400)

汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能的重要系統(tǒng),其系統(tǒng)穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)效益。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中,主控室發(fā)出的電流信號通過電磁閥和伺服閥轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場閥位變化,以此來實(shí)現(xiàn)包括主汽門調(diào)節(jié)、再熱門調(diào)節(jié)、汽機(jī)脫扣等功能。主跳閘電磁閥作為電氣控制與液壓控制的橋梁,其動態(tài)特性和穩(wěn)定性直接影響到整個液壓系統(tǒng)乃至整個汽輪機(jī)組的可靠性和壽命。

1 控制原理

如圖1 所示,汽輪機(jī)存在多種脫扣邏輯,包括現(xiàn)場手動控制的機(jī)械式脫扣邏輯和電信號脫扣邏輯,兩種邏輯最終通過EHC 油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對抽氣閥、調(diào)門、再熱調(diào)門,主汽門、再熱主汽門的控制[1]。

圖1 脫扣邏輯及信號明細(xì)Fig.1 Tripping logic and signal details

主跳閘電磁閥由A 通道電磁閥和B 通道電磁閥串聯(lián)構(gòu)成,工作電壓為220VDC。正常狀態(tài)下,兩個電磁閥均得電??刂朴? 支路通過閥體內(nèi)部孔徑,頂住閥芯,使控制油2 支路順利進(jìn)入油動機(jī)。A 通道和B 通道同時失電動作后,控制油1 支路通過閥體內(nèi)部孔徑,推動閥芯回座,此時控制油2 支路被切斷,原油動機(jī)中的油通過卸油回路排除,閥門失去動力油后關(guān)閉。主跳閘電磁閥實(shí)驗(yàn)過程中分別單獨(dú)使A 通道電磁閥和B 通道電磁閥失電,此時不會使主閥芯動作。油路圖如圖2 所示。

圖2 A電磁閥和B電磁閥失電后油路圖Fig.2 Oil circuit diagram of A and B solenoid valves after power loss

2 故障現(xiàn)象與分析

2.1 故障現(xiàn)象

主跳閘電磁閥故障主要表現(xiàn)為卡澀故障,最早出現(xiàn)在2007 年,截至2020 年兩機(jī)組累計出現(xiàn)故障11 次。在一次試驗(yàn)出現(xiàn)卡澀的情況下,第二次試驗(yàn)通過率為90.5%,第三次實(shí)驗(yàn)通過率為100%。

2.2 原因分析

2.2.1 電磁閥控制回路異常

對主跳閘電磁閥控制回路異常的可能性進(jìn)行分析,對回路上的PB 按鈕、位置反饋微動開關(guān)、中間繼電器及接線進(jìn)行檢查:PB 按鈕內(nèi)部有背燈,如背燈損壞或接線松脫,則電磁閥反饋信號無法傳遞給操縱員。經(jīng)測試背燈正常,說明PB 按鈕接線牢固,功能正常;位置反饋的微動開關(guān)動作情況不佳,觸點(diǎn)接觸不良,會造成燈回路不通,或開關(guān)不到位。從每次大修對主跳閘電磁閥的檢查結(jié)果來看,微動開關(guān)外觀及接線良好,動作靈敏,開關(guān)閉合后的電阻值只有0.5Ω,接觸很好,如圖3 所示。微動開關(guān)自大修后未進(jìn)行調(diào)整,且部分試驗(yàn)主跳閘電磁閥一次合格。同時,微動開關(guān)故障一般是不可逆缺陷,因此可以排除微動開關(guān)動作失效的可能性。

主跳閘電磁閥的控制是由多個中間繼電器構(gòu)建的,因中間繼電器設(shè)計為常失電狀態(tài),試驗(yàn)時繼電器得電驅(qū)動電磁閥回路斷電動作,如:繼電器觸點(diǎn)出現(xiàn)粘連,則電磁閥會持續(xù)無法釋放,顯然與主跳閘電磁閥偶發(fā)故障表現(xiàn)不符,排除中間繼電器失效可能性;電磁閥接線出現(xiàn)松脫,則電磁閥會表現(xiàn)為在試驗(yàn)和非試驗(yàn)狀態(tài)時均有可能出現(xiàn)掉電情況,而導(dǎo)致電磁閥本體異常動作。經(jīng)檢查電磁閥接線緊固,無松動。通過驗(yàn)證與分析認(rèn)為,控制回路異常不是導(dǎo)致主跳閘電磁閥卡澀故障的要因。

2.2.2 A/B通道電磁閥性能降級

對電磁閥本身性能下降的可能性進(jìn)行分析。電磁閥閥芯出現(xiàn)銹蝕——微動腐蝕。雖然電磁閥本身在較長時間是不動作的,但是由于系統(tǒng)本身的振動,閥體和閥芯之間持續(xù)輕微地振動和往復(fù)位移,有可能造成微動腐蝕而引起電磁閥動作卡滯。解體檢查過程中,閥芯上未能夠觀察到表面上的腐蝕變化,閥芯光潔度良好,由此認(rèn)為閥芯未出現(xiàn)微動腐蝕。電磁閥本身的性能指標(biāo)超標(biāo),性能指標(biāo)包括線圈電阻、絕緣電阻、換向時間、內(nèi)泄漏量檢查,詳見表1。

表1 電磁閥性能檢查記錄表(專業(yè)臺架試驗(yàn)值)Table 1 Record of electromagnetic valve performance inspection (professional bench test values)

從表1 可以看出,閥門性能指標(biāo)良好,A/B 通道電磁閥性能降級不是導(dǎo)致主跳閘電磁閥卡澀故障的要因。

2.2.3 EH油中的異物或油泥

在206 大修前,某機(jī)組主跳閘電磁閥A 多次出現(xiàn)卡澀狀況,對電磁閥進(jìn)行解體后,看到主跳閘電磁閥A 側(cè)閥芯上存在明顯油泥,無劃痕,如圖4 所示。

圖4 主跳閘電磁閥拆解圖片F(xiàn)ig.4 Disassembled image of the main trip solenoid valve

經(jīng)過清洗后,主跳閘電磁閥卡澀情況消失,故確認(rèn)油泥物質(zhì)是造成卡澀的要因。

為探究油泥產(chǎn)生的原因,對EH 油歷史采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了化學(xué)分析。結(jié)合歷年數(shù)據(jù)來看,EH 油中水分含量一直維持在較好水平,但漆膜指數(shù)[2](此指標(biāo)表為新指標(biāo),之前未檢測)數(shù)據(jù)一直維持在較高水平。漆膜指數(shù)反映了油體在設(shè)備表面形成可見油膜的能力,數(shù)值與成膜能力正相關(guān)[3],認(rèn)為此指標(biāo)可能是導(dǎo)致油泥產(chǎn)生的原因。其次,經(jīng)過長時間使用后,這種結(jié)果的變化可能導(dǎo)致生成一些大分子的結(jié)構(gòu),聚合沉積形成膠狀油泥在閥芯上導(dǎo)致卡滯。這種分子結(jié)構(gòu)的變化由于本身并沒有和油的顏色上的區(qū)別,實(shí)際上是一種亞微米級的溶解狀態(tài),常規(guī)的顆粒計數(shù)無法檢測到,此情況也是形成油泥的成因之一。最后,EH 油的置換工作也可能導(dǎo)致油泥產(chǎn)生,新、舊EH 油的置換工作無法確保管道中的所有殘油和管壁上附著的油泥被置換出來,而由于新油和舊油的溶解度不同,反而會加速油泥的析出。雖然,后續(xù)使用濾油機(jī)進(jìn)行了濾油,但是EH 油系統(tǒng)管道比較長,主跳閘電磁閥處于管道末端,管道附著的油泥和雜質(zhì)在閥芯處聚集導(dǎo)致卡澀,同時現(xiàn)有系統(tǒng)上的濾油機(jī)只能濾除水分。

3 卡澀原因總結(jié)與后續(xù)方案

3.1 卡澀原因總結(jié)

綜上所述,EH 油中存在的油泥是造成卡澀的直接原因[4]。而產(chǎn)生油泥的促成原因可以分為以下幾點(diǎn):

1)油中顆粒雜漬等不潔物粘附在系統(tǒng)設(shè)備、回路管線內(nèi)面、管道連接槽溝等處,沒能及時被沖洗凈化,造成滑閥動作不暢。

2)主跳閘電磁閥區(qū)域的油流量小,不常流動,內(nèi)部滑塊與滑膛間有微量間隙,時刻都有微量滲油,微量間隙阻礙了通流油中油泥類雜漬順利下排,會越積越多。

3)主跳閘電磁閥區(qū)位溫度高,散熱不良,加劇了滑閥內(nèi)油質(zhì)劣化故障。

4)控制油長期投用,局部過熱、劣化生成的油泥類物質(zhì)沒能及時消除,日久積多;主跳閘電磁閥內(nèi)油不常流動且閥芯溫度較高,更加速了油泥產(chǎn)生和析出,增大了滑閥卡澀可能性。

5)主跳閘電磁閥不經(jīng)常動作,更增大了油泥粘附后的滯阻效應(yīng)。

以上所列原因中,油品劣化后沒有得到有效抑制和再生是問題關(guān)鍵。

3.2 后續(xù)方案

3.2.1 現(xiàn)場實(shí)際技術(shù)條件

目前,控制油系統(tǒng)采用機(jī)組配套的過濾系統(tǒng),即油箱體外配有硅藻土過濾器和后備過濾器回路;供油回路(供油泵出口管線上)配有控制顆粒度細(xì)過濾器,油箱上安置兩組呼吸過濾器。其中,硅藻土過濾器僅對控制油的酸值具有一定效果,當(dāng)油的電阻率低,顏色變深或老化產(chǎn)生油泥時,硅藻土過濾器就無法解決這些問題。

硅藻土后的過濾器及供油回路(供油泵出口管線上)配有的過濾器主要是過濾油中的機(jī)械雜質(zhì),保持控制油的清潔度,但硅藻土只能除去強(qiáng)酸,去除不了弱酸、烷基酚及烷基酚的降解產(chǎn)物(軟性污染物),并且它還會釋放可溶的金屬離子到EH 油中從而與強(qiáng)酸、弱酸反應(yīng)形成金屬皂膠質(zhì)物。

通過上述分析可以看出,本廠控制油目前存在的主要問題是硅藻土再生存在缺陷,無法對油質(zhì)進(jìn)行徹底再生,恢復(fù)油質(zhì)。EH 油維護(hù)的首要目標(biāo)是要去除使用過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)(強(qiáng)酸、弱酸、烷基酚,包括油泥等老化產(chǎn)物)并盡力降低酸性物質(zhì)的產(chǎn)生[5]。

此外,現(xiàn)有供油單元仍具有一定的清潔控制油的能力,能夠滿足正常工況和新更換油短期內(nèi)控制油系統(tǒng)的需求,一旦出現(xiàn)異常情況,供油單元清潔油質(zhì)能力不足就突顯出來。這種情況就需要一種處理容量大、功能齊全的裝置快速清潔控制油,減小原濾油裝置負(fù)載,提高處理效果和速度。在原供油單元的油箱外加裝一套抗燃油分子極性吸附再生脫水裝置,在油質(zhì)異常情況或需短時間提高油品(大修)時,投運(yùn)該裝置,不會干涉控制油其它設(shè)備運(yùn)行。

3.2.2 擬解決的實(shí)際問題

通過變更增加濾油設(shè)備,及時去除控制油中的老化產(chǎn)物,進(jìn)一步減緩油品劣化趨勢,增強(qiáng)流入系統(tǒng)中油的析溶能力(有助于析出、清理沉積在管道、冷油器管束等體面的膠質(zhì)性污染物),降低控制油的漆膜傾向指數(shù),擬解決如下幾項(xiàng)主要的實(shí)際問題:①減輕或消除油泥導(dǎo)致電磁閥、伺服閥卡澀的問題;②減輕或消除運(yùn)行期間老化產(chǎn)物導(dǎo)致控制油泵出口過濾器堵塞的問題,規(guī)避運(yùn)行期間更換濾芯的高風(fēng)險;③維持漆膜生成傾向指標(biāo)MPC 在《化學(xué)控制手冊》要求的正常范圍,減少或避免機(jī)組運(yùn)行期間執(zhí)行體外濾油工作,降低材料和人力成本。

3.2.3 變更設(shè)計方案簡述

首先,選擇一種可以徹底除去油中全部劣化產(chǎn)物(如油泥等)的濾芯來替換硅藻土濾芯。這樣既不改變原來的系統(tǒng)設(shè)置,又能實(shí)現(xiàn)油質(zhì)的徹底再生。該方案的關(guān)鍵技術(shù)就是選擇可以替換硅藻土的濾芯,考察、調(diào)研發(fā)現(xiàn):由FLUITEC 公司開發(fā)研制的一種樹脂濾芯(型號CC-ESPFLTR-PE-KIT-ZXCO,可完全替換ST718 -00-03ZXCO),可有效將油中強(qiáng)酸、弱酸、烷基酚、金屬離子等都除掉。該濾芯內(nèi)裝Endure IX 特種樹脂,該特種樹脂為顆粒尺寸幾毫米(1mm ~7mm 不等)的小球,具合適的極性,可以從內(nèi)部到表面選擇性吸附吸收EH 油的水解、劣化等所有降解產(chǎn)物,吸附吸收效果好,且不釋放任何副產(chǎn)物到EH 油中,濾芯的更換基于烷基酚的變化(ASTM D6971,LSV 線性伏安法RULER 檢測,200μl 的油樣,綠標(biāo)萃取液,更靈敏,可檢測100ppm 以下的烷基酚),而不是酸值,是真正可以彌補(bǔ)目前抗燃油維護(hù)中缺失的一環(huán)的技術(shù)。使用該濾芯維護(hù)油質(zhì),配合主動防水除水裝置可維持油質(zhì)始終保持在新油水平,所以擬采用該濾芯替換原系統(tǒng)中的硅藻土濾芯。

然后,選擇一種既可以將原有控制油中的水分去除,又能夠防止大氣中的水汽通過呼吸口進(jìn)入控制油箱的方法。可以主動防水并除水,達(dá)到從源頭上抑制水分即抑制控制油降解的目的??疾臁⒄{(diào)研發(fā)現(xiàn):由FLUITEC 公司研制的一個既簡單又有效的方案來去除EH 油里的水分,即安裝使用WRIPEHC 設(shè)備,它可以長期維持EHC 系統(tǒng)的水分含量在250ppm 或更低的水平,阻止磷酸酯水解,延長磷酸酯和酸清除過濾器的壽命。WRIPEHC 系統(tǒng)通過接入儀表壓空氣源并對氣源進(jìn)行過濾、清潔、干燥,以干燥清潔的氣體吹掃EH 油箱的頂部。該低壓氣體吹掃油箱頂部時完成兩項(xiàng)重要任務(wù),即一方面可以利用濃度平衡原理吸走控制油中的水分,另一方面可以同時阻止其他污染物(空氣中的粉塵、沿??諝庵械柠}離子)進(jìn)入控制油中,從而保持控制油的清潔和干燥。該系統(tǒng)不需要通電且沒有運(yùn)動部件,不與控制油接觸且基本不用保養(yǎng)。

3.2.4 變更實(shí)施效果

在加裝抗燃油分子極性吸附再生脫水裝置和亞微米級凈化系統(tǒng)設(shè)備后,在線對控制油進(jìn)行連續(xù)24h 濾油,此活動持續(xù)了3 個月,控制油品質(zhì)通過此次濾油有了顯著提高,具體表現(xiàn)在:控制油的酸值,從原來的0.12 下降到0.01 以下;控制油的水分由原來的500ppm 下降到400ppm;控制油的電阻率從原來的1.46 提高到4.6。這些指標(biāo)是當(dāng)前技術(shù)能夠定量化驗(yàn)的化學(xué)指標(biāo)。控制油的油泥在濾油以后,沒有化驗(yàn)出來。從系統(tǒng)狀況來看,控制油的油泥也有效地進(jìn)行了去除。

在207 大修期間使用該裝置連續(xù)濾油半個月,控制油顆粒度達(dá)到NAS3 級(NAS5 合格),控制油的水分達(dá)到211.34ppm。濾油效果明顯,濾油速度快。

從控制油系統(tǒng)上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)來看,汽輪機(jī)主跳閘電磁閥截止當(dāng)前無卡澀情況出現(xiàn),系統(tǒng)上其它的伺服閥運(yùn)行穩(wěn)定,也沒有出現(xiàn)故障;從化學(xué)指標(biāo)來看,控制油品質(zhì)明顯上升,達(dá)到預(yù)期的效果。

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