核安全级阀门电动装置补充验证方案研究

谭文治，黄一鸣，任学铭，蒋培雷

(上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海 200233)

0 引言

依据《进口民用核安全设备监督管理规定(HAF604)》，需要进行补充验证的核安全级阀门电动装置为用户(核电站)已完成国外工厂验收待安装使用的设备。设备依据配套阀门定制，其关键参数已由生产方调试定型并通过用户验收。

补充验证方案是在用户自行验收的基础上进行第三方实验室补充测试，以确保设备性能符合使用要求，排除运输、储存对设备性能的潜在影响，并保证设备在补充验证后不影响既定参数且不对设备造成损伤，以便设备能正常安装使用。现阶段不具备针对性的验证标准或规范，主要参考标准是针对生产线末端产品的设计验证，对性能的测试不够全面，对产品参数的更改不可避免。部分项目对机械结构有不可逆损伤，影响装置在核电站的后续安装使用，缺乏适用性[1]。

本文在核安全级阀门电动装置补充验证的基础上，结合主要参考标准，对核安全级电动装置试验数据及结果进行理论和数据分析，探讨并提出适用的补充验证方案。

1 对参考项目的理论及数据分析

目前，补充验证方案由各核电站参照NB/T 20010.11—2010提出。这些方案普遍忽略了产品的特殊性与试验项目的适用性，存在的共性问题包括部分试验项目在实验室无法顺利进行、样品在试验后设定参数丢失、样品部件的不可逆损伤等。这些问题影响了样品在核电站的安装使用，造成多方的经济损失和安全隐患。本文对涉及的试验项目进行理论分析，并结合实验室数据验证，以提出统一、适用的补充验证规则[2]。

1.1 手动、电动切换

手动、电动切换检查项目为NB/T 0010.11—2011的6.7项，包括空载切换与加载切换。其目的是验证紧急情况下手动、电动切换机构的可靠性[3]。

加载试验要求“调整转矩控制机构至最大控制转矩，启动电动机并加载直至转矩控制机构动作，停止后不卸载荷”[4]，切换手动操作，而后切换电动操作。在实验室完全按照标准描述进行操作时，发现以下问题：在电动模式下加载制动后，力矩开关动作，使电动装置的控制回路切断，无法再继续按当前方向运行；而反向运行则因载荷不卸载触发反向力矩开关动作，造成电动装置在力矩开关触发后不卸负载的情况下无法进行电动操作，无法验证切换机构的可靠性。为完成标准负载条件下的验证测试，需对电动控制回路进行人为操作，即在切换为手动模式后将力矩开关断开与电动控制回路的连接，使电动控制回路直接控制电机运行。因此，再次切换为电动模式后，输出轴负载不触发控制回路断路，电动装置能够运转，以此验证切换机构能否在负载条件下正常切换。

加载切换项目在已经安装好的工程现场无法实施，在实验室可通过改变阀门的控制回路验证切换机构的切换可靠性。在对标准测试方法进行修改补充后，可采纳为验证项目。

1.2 位置指示机构

位置指示机构检查项目为NB/T 20010.11—2011的6.8项，要求配置机械式行程指针。此项目在标准中为选择项，并非必要项。

核电安全级阀门电动装置通过行程开关设置行程，通过行程控制回路实现开关位置或运行状态的指示，并将位置信息传输至控制室。在这种前提下，配置机械式指针并没有实际意义[5]。目前，在实验室所完成的补充验证样品均不配机械式位置指针。位置指针并非必要项，不应采纳为补充验证项目。

1.3 堵转转矩

堵转转矩检查项目为NB/T20010.11—2011的6.9项。试验要求“使转矩控制机构不起作用，电源电压降至额定电压的90%，启动电动装置并逐渐加载，直至转矩控制机构动作”[4]。此时，测得的输出转矩值为堵转转矩。按以上方法测得的电机堵转转矩应大于设定控制转矩。

实验室依据标准方法对不同设定控制转矩的样品进行堵转转矩测试。实验室堵转转矩测试数据如表1所示。

表1 实验室堵转转矩测试数据

在依据标准规定的试验方法测试中，电动装置的运行不受力矩开关的保护作用，加载直至电机堵转过程使设备暴露于远超出厂设定的保护转矩的载荷下，易使设备产生不可逆损伤。4台样品均出现了电机发热现象。1#样品与4#样品分别承受了3.15倍和1.94倍设定扭矩值的负载，分别导致运行噪声增大和整机无法运行[6]。

电机堵转转矩应大于电动装置的设定控制转矩，因此只需保证电机在设定控制转矩下正常运转，即可表明电机的堵转转矩大于设定控制转矩。因此，鉴于《进口民用核安全设备补充验证工作细则》中保证验证项目为非破坏性、非损害性项目且不影响后续安装使用的原则，对试验方法进行修改优化。优化方案包括：使转矩控制机构不起作用；把电源电压降至额定电压的90%；启动电动装置并逐渐加载至额定控制转矩。此时，电机能正常运行而不发生堵转。试验方法修改后，既可验证电机堵转转矩是否大于设定控制转矩，又能避免设备的损伤。因此，堵转转矩检查可采纳为补充验证项目。

1.4 最大与最小控制转矩

最大与最小控制转矩检查项目为NB/T 20010.11—2011的6.10项。其目的是测试电动装置的力矩可调范围。在实验室进行补充验证的样品中，部分样品的力矩开关锁死，无法调节；部分样品调整力矩开关后，无法准确恢复出厂设定的控制力矩值。最大与最小控制转矩检查改变了出厂设定参数，且无法准确恢复，影响后续安装使用[7]，不适用于核电安全级阀门电动装置的补充验证，不应采纳为补充验证项目。

1.5 设置转矩

设置转矩检查项目为NB/T 20010.11—2011的6.11项。此项目同样需要调整力矩开关，使力矩保护脱离出厂设定，影响后续使用，不应作为补充验证项目。

1.6 设定控制转矩重复性偏差

设定控制转矩重复性偏差检查项目为NB/T 20010.11—2011的6.11项，旨在确保力矩开关具有符合使用要求的重复性。

实验室对不同设定控制转矩的样品进行实际控制转矩的测试。

实验室设定控制转矩实测数据如表2所示。

表2 实验室设定控制转矩实测数据

4台样品的控制转矩重复性偏差均在±7%范围内，符合参考标准要求。

实验室在对数据整理分析中，计算得到3#样品设定转矩误差为10.7%。为避免此设备影响后续配套阀门的正常使用，在与核电站用户沟通后，增加设定转矩误差的验证项目，以确保该样品在维修合格前不得在核电站安装使用。

由表2数据可知，控制转矩的重复性测试并不能全面验证受试设备的力矩控制性能。对此，应补充设定控制转矩的误差试验作为必要的补充验证项目。

1.7 行程控制机构误差

行程控制机构是用于控制电动装置开启、关闭位置的一种可自动切断电源。其控制误差直接反映电动装置运行的控制精度并影响控制系统的平稳安全运行。行程控制机构误差是电动装置重要的性能指标。应将行程控制机构误差检查作为必要的补充验证项目，以保证电动装置具有可靠的行程控制性能[8]。

1.8 强度试验

强度试验的目的是验证整机机械强度。试验要求在电动装置承受1.8倍或2倍的设定力矩的载荷后，拆解电动装置，检查零件损伤情况[9]。

强度试验涉及拆解以及重新组装，适用生产线末端产品验证。而对于核电设施应用端的产品，拆解重组对力矩开关与行程开关等控制精度造成偏离，甚至需返厂进行组装与调试，对设备控制性能以及后续安装与使用有潜在影响。因此，强度试验作为补充验证是不适用的。

1.9 基本检查项目

基本检查项目[4]包括外观检查、电气接线与导线检查、电气间隙和爬电距离、手轮与输出轴转动方向检查、绝缘电阻、介电试验、噪声检查。其中，手轮与输出轴转动方向、电气间隙和爬电距离不因设备的运输和储存影响而改变，无需作为补充验证项目。其他项目在试验过程中，对设备出厂设定参数不作更改且不会对设备造成损伤，可以选择性地采纳为补充验证项目。

2 核安全级阀门电动装置补充验证方案

基于核安全级阀门电动装置的设计、应用理论与实验室数据分析，本文提出以下可行的补充验证方案。

2.1 外观与电气间隙、导线检查

依据NB/T 20010.11—2010第6.2项，外观与电气间隙、导线检查可设为可选项。

2.2 绝缘电阻检查

绝缘电阻检查建议作为选择项。依据GB/T 3797—2016进行试验，要求绝缘电阻≥100 MΩ[10]。

2.3 噪声检查

噪声检查在空载条件下按GB/T 3797—2016进行试验，要求噪声≤75 dB(A)[10]。

2.4 手动、电动切换检查

空载条件下，从电动切换到手动或从手动切换到电动，输出轴应能可靠转动[11]。

负载条件下，调整转矩控制机构至最大控制转矩，启动电动机并加载，直至转矩控制机构动作；停止后不卸载荷，切换手动操作输出轴应能可靠转动；改变控制回路，使力矩开关不作用，切换电动模式，输出轴应能可靠转动。

2.5 堵转转矩检查

堵转转矩检查建议作为选择项。要求为：使转矩控制机构不起作用，电源电压降至额定电压的90%；启动电动装置并逐渐加载至设定控制转矩，电动装置应能正常运行，电机不应发生堵转。

2.6 控制转矩重复偏差检查

产品安装在试验台上，在额定供电电压下，空载启动电动装置并逐渐加载，直至力矩开关动作，记录力矩开关动作时的转矩值。分别在开、关2个方向测量3次。

按式(1)计算开、关方向的输出转矩重复偏差，要求转矩重复偏差在约定的验收要求范围内，可取±7%。

(1)

式中：δ1为控制转矩的重复偏差；MS为转矩实测值，Nm；MA为三次测量值的平均值，Nm。

2.7 控制转矩误差检查

根据2.6节试验所测数据，按式(2)分别计算开、关方向的控制转矩误差，要求转矩误差在约定的验收要求范围内，可取±10%。

(2)

式中：δ2为控制转矩误差；ME为转矩最大或最小实测值，Nm；MZ为转矩出厂设定值，Nm。

2.8 输出转速误差检查

将电动装置安装在试验台上，对电动装置输出轴施加20%～30%设定控制转矩的负载。操作电动装置在开、关方向各运行3次，分别记录输出轴转速。按式(3)分别计算开、关方向的转速误差，要求输出转速误差在约定的验收要求范围内，可取±5%。

(3)

式中：δ3为输出转速误差；SE为转速最大或最小实测值，r/min；SZ为转速出厂设定值，r/min。

2.9 行程控制机构误差检查

将电动装置安装在试验台上，加载至设定控制转矩的三分之一，运行电动装置分别停止在“全开”和“全关”位置，以此位置作为基准。保持负载不变，操作电动装置全开、全关分别运行3次，每次停止位置与基准位置偏差即为行程控制机构误差。

检查要求行程控制机构误差在约定的验收要求范围内，对于多回转电动装置可取±5°，对于部分回转电动装置可取±1°[11]。

3 结论

本文结合理论分析以及实验室数据验证，探讨并提出了具备适用性和可行性的核安全级阀门电动装置补充验证方案。这一方案解决了目前补充验证方案存在的诸多问题，为核电站的设备申报工作提供了方案支持，为国家核安全局进行核安全级阀门电动装置的复验审查工作提供了技术支撑。该研究对今后统一的核安全级阀门电动装置补充验证方案制订和标准化工作具有参考意义[12]。