王晓峰

（中核核电运行管理有限公司维修五处，浙江海盐 314300）

0 前言

气动阀是核电站的常用设备，不仅数量多，而且在系统运行中起着重要作用。秦三厂引进的AOV（气动阀门）诊断装置，通过测量气动阀及主要附件的特征参数，诊断气动阀及附件的调节性能，密封性能、动态响应能力等方面的性能是否满足设计要求，判断气动阀在运行一段时间后的降质情况，为后续制定气动阀维修维护计划提供依据。

1 AOV诊断装置

AOV（Air-operated Valve）诊断装置是校验和测试气动阀门的便携式数据采集系统。主要用于阀门设计数据的校验；阀门的行程、位置开关、阀杆和填料力矩的调节；I/P和定位器的校验；阀门故障的诊断等。AOV诊断系统由便携式数据采集单元、配有多通道信号采集模块的主机和便携式电脑3部分组成（图 1）。

图1 AOV诊断装置

AOV诊断装置使用过程中，根据需要测量的参数类型选用不同的数据采集元件和相应的信号采集模块，将处理过的信号送入便携式电脑，经过专门的软件分析、计算，最终得到需要的数据和曲线，并可以对图形进行注释、编辑，如图2所示。系统采集数据量大、精确度高（数据可以精确到小数点后3位）、图形的绘制全部由电脑自动完成，具有测量数据准确、数据分析方便，图形简洁美观等特点。

2 毒物注入阀工作原理

秦三厂2#停堆系统是重水堆特有的停堆系统。6个毒物注入阀的作用是当主控室发出停堆信号后，用氦气贮存箱内的高压（≥7.88 MPa）高纯氦（99.999%）将 6个毒物罐（约500 L）内的硝酸钆（GdNO3）重水溶液（正常浓度＞7.1×10-3），即所谓的“毒物”快速压入反应堆芯内，以迅速终止链式反应、降低反应堆功率水平,达到停堆的目的。

图2 阀门性能测试曲线

图3 快速排气阀结构示意

毒物注入阀气缸顶盖配有5个快速排气阀（图3）用于快速进气、排气。快速排气阀在电磁阀得电时，进气管线中的的压力大于气缸内部压力，仪表压空通过电磁阀进入快速排放口的入口经出口到阀门气缸，压缩弹簧使阀门关闭。电磁阀失电时，进气管线中的压力小于气缸内部的压力，电磁阀先将快速排气阀入口到电磁阀的仪表压空管中的气排空，阀门气缸的仪表压空通过快速排气阀出口往排放口排气，不再通过电磁阀排出气缸的气，弹簧复位使阀门打开，达到快开的目的。

3 问题

现场调试中发现阀门开阀时间不能满足设计要求（＜140 ms）。利用AOV阀门诊断装置对阀门的行程开关设定在行程的95%和5%，对阀门进行测试，时间均未达到要求。分析厂商提供的阀门图纸中的快开式特性曲线（图4），将阀门的位置开关和阀门行程进行精确设定（图5），当阀门开到88%时，阀门的流量已接近最大，与行程开关设定在95%时的流量基本一致，因此将阀门的位置开关设定在行程的88%和5%，数次时间测试均未达到设计要求。

图4 阀门流量曲线

图5 行程和位置开关的设定

4 原因分析及改进方法

4.1 毒物注入阀气动头排气速度过慢

（1）原因分析。考虑到机组的安全运行，毒物注入阀被设计成失效安全的“失气开”，即通过气动头快速排气打开毒物注入阀，因此，排气速度直接影响毒物注入阀的开启时间。排气时虽然设计有5个快速排气阀，但它们的连接方式是串联，各个快速排气阀排气量的分配存在很大差异，未能各尽所能。毒物注入阀气动头最初的排气设计是电磁阀安装在阀门的侧面，与最近的快速排气阀连接管线也有近1 m的距离，由于电磁阀与5个快速排气阀的距离不同，快速排气阀入口的压空排空时间不一致，导致5个快速排气阀动作时间不一致，进一步增加了阀门的开阀时间。在图6中的B点和A点处各接入1个压力传感器，分别测量2点的压力下降速度，测试结果显示A点的压力降低速度略滞后于B点。因此认为阀门开启缓慢是由于排气口单一，5个排放口进气管线中的余气不能很快从电磁阀同时排出造成。

（2）改进方法。为减少电磁阀的放气时间和使5个快速排气阀同步动作。改进阀门进/放管布局（图7）。在气动头上方安装了1个爪形的气路分配器，从分配器均匀引出5个排气支管，使5个快速排气阀连接方式变成并联安装。把电磁阀放到阀门的正上方，使电磁阀离5个排放口的距离均在40 mm左右，与电磁阀和各排气口相连的管线长度相同，保证阀门开启时，进/排气管线中的气体从电磁阀排气口排出速度基本一致，进一步减少气体在排气管线内滞留的时间，即减少了阀门的开启时间。5个快速排气阀同步动做，将阀门气缸里的气体迅速排空，开阀时间在150 ms左右，虽未达到设计要求，但大幅缩短了开阀时间。

故障排查时还发现原来的排气管用割管器切割后，没有很好的去“毛刺”。一般情况下，小毛刺对气体的阻力可以忽略，但以毫秒级计算阀门开启时间时，阻力的影响不应忽略不计。根据流体动力学可知，流体经过一个障碍物后会形成旋涡，速度很快时，气旋对流速的影响相应增大。因此，在安装新排气管线时，特别注意去毛刺清理的工作，尽可能的减少开阀时间。

图6 改造前阀门气缸

图7 改造后阀门气缸

图8 弹性斜率计算方法图

4.2 气动头内弹簧的弹性斜率偏小

（1）原因分析。重新布置气源管线后，根据图8测量气动头内弹簧的弹性斜率，弹簧弹性斜率SR=Slope×Aeff。其中Slope为最小二乘拟和曲线斜率，Aeff为气动头有效面积。计算结果显示弹簧的弹性没有达到规定值±20%的范围，弹性低会影响阀门的动作速度，弹性大会造成气动头的有效面积发生变化、弹簧过压而损害阀门。

（2）改进方法。阀门气缸弹簧加3.5 mm厚的垫片，增加弹簧的弹力，使弹簧复位时弹性势能增大，在摩擦力不变的情况下，阀门动作更加迅速，减少了阀门的开启时间。改进完成后，对阀门进行多次测试，测试结果显示，原来的弹簧的弹性系数偏小，弹簧形变量产生的弹性势能偏小，导致阀门开启速度慢，对同一个阀门而言，表现为阀门开启时间偏长。

根据牛顿第二运动定律、弹簧弹力公式以及速度公式，推导得出阀门从全关到全开所需时间的简化算式其中，k是弹性系数，x是弹簧伸长或缩短的长度。

图9为不同弹簧的行程变化曲线，从中可以看到弹簧伸长或缩短长度x形变量的绝对值越大，产生的弹力就越大，相应的阀门开阀的时间就越短。其次是提高弹簧弹性系数k，可使阀门开阀的时间减小。因此，阀门更改不仅需要更改进/排气管线的布局，也需要更换弹性系数更大的弹簧。最终用弹性系数大的弹簧替换了原来的弹簧，后经验证，这一改进加快了毒物注入阀的开启速度。

图9 不同弹簧的行程变化曲线

4.3 毒物注入阀填料函力矩过大

（1）原因分析。在阀门诊断中发现，毒物注入阀出厂时的填料函力矩比维修手册的规定值高出数倍，这意味着阀门动作时要克服更大的摩擦力，这也会使得阀门动作相应变慢。从图10分析气动阀动作时的受力过程和图11公式测量阀门摩擦力，将整个阀门简化为一刚体，假设阀门匀速运动，各力平衡，设+F表示向下压力，-F表示向上拉力，则阀门在密封位置时，∑F=0。即 Facttop-Fspring±Ffpkg-Ffseal±Ffguide-F不平衡力=0。式中 Facttop是气缸输出力，Fspring是气缸弹簧弹性阻力，Ff-pkg+Ffguide是阀门运动过程中受到的各种摩擦力，摩擦力主要包括填料摩擦力、阀杆与气动头轴套的摩擦力，阀芯和阀座的摩擦力等。在气动阀正常工作时，大部分为填料摩擦力，Ffguide是阀门关闭时阀芯对阀座所加的密封力，F不平衡力是阀门上下油压不同产生的不平衡力。

图10 阀门受力

图11 摩擦力计算方法

（2）改进方法。运用阀杆受力平衡公式，测量摩擦力应满足制造商规定摩擦力水平的 ±25%，摩擦力太高将导致阀门内漏，还会影响阀门响应时间、灵敏度、分辨率和阀门实际行程大小，摩擦力太低意味着阀门存在填料泄漏的危险。根据图11，阀门处于位置D的摩擦力Ffi=Pdelta×Aeff/2。式中Pdelta是阀门处于位置D时开关行程气动头压力差，Aeff是气动头有效面积。经多次确认后，将填料函力矩调整为正常值。

4.4 阀杆应力的测量

在增加了气缸内弹簧弹性系数后，通过测量阀杆的应力来分析阀门是否完全关闭。通过AOV诊断设备对毒物注入阀阀杆应力进行检测，如图12所示，当阀门处在完全关闭位置时，阀杆会受到气缸内弹簧形变时施加的应力（A点）而发生横向形变。当阀门开启时，气缸内弹簧复位，施加在阀杆上的应力消失（B点），阀杆恢复形变。这一转换过程通过直行程阀杆应力传感器记录为图12中A点到B点的转换过程。如果阀门没有完全关闭，即使阀杆受到气缸内弹簧在形变时施加的应力也不会产生横向形变，也就得不到图12中的曲线。这时判断阀门是否完全关闭的主要依据。由测试数据和曲线可知，阀门开关过程中阀杆运动平稳，未出现卡滞现象。阀门关闭时阀瓣落座，密封力满足V级密封要求。

图12 阀杆应力曲线

5 改进实施效果

综合以上试验和诊断结果，对阀门做如下改进（最终设计）：①改变阀门的气源管线布局。②将弹簧换成弹性更大的。③减小阀门的填料函力矩。④处理干净气源管线中的毛刺。阀门改进后，用电站DCC系统中的CI报警（可测量阀门开启信号触发到全开的时间）对阀门进行测试，所有阀门开启时间＜140 ms，满足系统设计要求，保证了反应堆的安全可靠运行。