杨迪
山东核电有限公司 山东烟台 265116
摘 要： 电动阀门诊断技术是一种全新的在线式诊断技术，无修无拆即可发现电动阀门内在的设计、制造及安装缺陷。现广泛应用于核电厂安全级阀门调试及日常运维诊断，对提高设备可靠性，降低维修人员剂量有重大意义。
关键词： 电动阀诊断，在线诊断，核电厂，阀门调试，预测新维修。
一、阀门诊断技术介绍
电动阀诊断技术是指在不解体的情况下使用专用采集系统收集阀门电机电流、电压，阀杆力矩、推力、位移，限位和力矩开关通、断，碟簧压缩量等信息。受训的工程师解读数据后，可评估阀门状况、判断阀门故障、计算安全裕量。在核电厂，属于预测性维修技术的范畴。
阀门诊断技术分为电动阀、气动阀、截止阀等三类，在欧美已经广泛普及并有国家和行业协会文件的指导。90年代末传入中国一直处于缓慢发展的初级阶段，2013年能源局发布了《核电厂阀门诊断NB/T 20219-2013》行业标准，阀门诊断活动不再属于企业行为，渐渐向行业整体规范化的方向靠拢。
二、阀门专项组和诊断仪
标准的阀门专项组由机电仪三个专业的人员组成，人员根据能力分为技术员、初级/高极工，数据分析员、工程师四五个层级。专项组各有分工、互相备用、共同办公，可有效杜绝专业之间推诿扯皮，大大提高工作效率。
国际上流行的电动阀诊断系统包括CRANE的VOTES、VIPER和TELEDYNE的QUICKLOOK，两家各有优长，平衡竞争。
三、电动阀结构介绍
以电动阀闸阀为例，可大致将阀门分为电动执行机构和阀门两部分。阀门诊断工程师必须同时熟悉两者，并熟知阀门运行时各个力传动部件的具体工作状态，才能够利用数据曲线对阀门进行解析。
3.1 电动执行器的工作原理
以Limitorque 执行器为例，电机轴和涡杆轴上的齿轮对将电机力矩传递到涡杆上，旋转的涡杆又驱动涡轮旋转。和涡轮套装到一起的阀杆螺母将扭矩转化为推力施加于阀门之上，阀杆在竖直方向上的带动阀体上下移动，从而打开或关闭阀门。
3.2 限位开关和力矩开关的工作原理
电动阀使用限位开关或力矩开关控制阀门打开和关闭。限位开关由安装在涡杆上的齿轮带动旋转，阀门到位后断开相应的接点。齿轮和接点之间有一组计数器用于设定接点动作时机。涡杆在阀门关闭或卡涩后会在轴向上的发生蹿动，力矩开关利用此蹿动来驱动凸轮断开相应的接点。所以力矩开关不但可以用于控制阀门，还可以起到过力矩/推力保护的作用。
四、典型电动阀推力变化曲线解析
应力传感器STRAIN GAGE是诊断仪中最重要的一个传感器，用于测量阀杆上受到推力和扭矩。通过解析推力曲线可了解阀门全行程的工作状态。常用的永久性应变片包括QSS和Smart Stem，它们使用专用胶水紧贴在阀杆上。
4.1 开阀过程
图1为典型的开阀曲线，需要指出的是由于条件限制，诊断仪只能采集到阀杆上的推力而且阀体所受的力，所以该曲线不能完全等同于阀体手里曲线。图中假设向上的力方向为正，阀门为全关，碟簧处于压缩状态。
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阶段1：信号发出，电机启动。此阶段表示，阀门对信号响应的相应时间；
阶段2：电机启动，碟簧预紧力释放。表示涡杆往关闭方向最大蹿动量逐步减至为0，此时涡杆和涡轮正常啮合；
阶段3：涡杆驱动涡轮，涡轮带动驱动套筒。此阶段表示为空行程；
阶段4：驱动套筒通过阀杆螺母上提，阀杆所受的向下的推力减至0。此阶段为阀杆螺母对阀杆施加的关闭力减小至0，阀杆为自由状态；
阶段5：阀杆螺母和阀杆螺纹的啮合由下部接触游移到上部接触（由压到提）；
阶段6：执行器带动阀门克服金属表面静摩擦力脱出阀座（带压时由于水压原因摩擦力远大于静压时），此时阀门有明显的震动并伴有声响；
阶段7：静摩擦力消失，阀门克服静摩擦力快速打开，由于截流效应带压时的摩擦力仍大于不带压时的摩擦力；
阶段8：阀瓣完全脱出阀座，阀门克服盘根摩擦力由中间位置打开至全开位置，限位开关动作，电机关闭。
4.2 关阀过程
图2为典型的关阀过程。需要指出的是，诊断仪采集的推力曲线为绝对值，需要人为选定零点来数值化各个位置时的推力值。就像人们通过大本钟定义本初子午线一样。零点选择在阀杆处于自由状态时的推力，因此在正负盘根转换时，或阀门关闭时都零点都会出现。
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阶段1：信号发出，阀门关闭。表示阀门对关信号的响应时间；
阶段2：电机反转，碟簧压缩量释放为0。如开限位设定早于碟簧压缩时，该曲线则不会出现；
阶段3：空行程；
阶段4：阀杆螺母对阀杆螺纹向上的力释放为0；
阶段5：阀杆螺母在阀杆螺纹的间隙间移动，由上提改为下压；
阶段6：执行器推动阀杆下移，平稳的数值即为盘根负荷。静压和带压曲线之间的差值即为管道内流体对阀体的向上的压力值，称为活塞效应（Piston Effect）；
阶段7：阀门克服盘根摩擦力移动至阀瓣和阀座金属面开始接触。此阶段带压和静压有很大的不同，当阀门关至开度60%以下时将会受截流效应的影响而在金属接触面产生附件的摩擦力，从而造成阀杆上的力比不带压时有所增加。这个附加的力将一直持续到整个管道被遮蔽才不再增加；
阶段8：阀瓣和阀座接触，阀杆克服动摩擦力将阀瓣推入阀座至限位开关或力矩开关动作；
阶段9：电机继续运行至接触器动作切断电源；
阶段10：执行器由于惯性继续带动阀瓣下移至推力最大点；
阶段11：惯性消失，形变的阀座施加反向的力推出阀瓣，阀门静止，关阀动作完成。
五、阀门调试案例
图3为某阀门在静压情况下采集的数据曲线。
图中曲线形状与文件中静压曲线一直，如若放大20倍，各个阶段的台阶和拐点清晰可见。
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六、常见的故障类型及解决办法
6.1 阀门锤击
阀门锤击是指阀门在关闭后，由于阀座施加给阀杆的反作用力经过阀杆螺母、涡轮传递到涡杆之上，导致碟簧松动，力矩开关重新接通回路，执行器不停关闭阀门的现象。存在锤击的阀门一方面会因为电机的不停起停造成绕组过热烧毁，而关闭力矩的不断增大也会损伤阀瓣、阀座和密封面。
图为4现场发生锤击现象的一台阀门。第一个窗格内四个台阶表明阀门力矩间断增加四次。第二个窗格内力矩开关连续通断四次。第三个窗格为电机绕组电压，四个指形的尖峰表示阀门在1.5秒内起停四次，直到调试人员觉察到阀门锤击后关闭电源才消失。
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发生锤击的原因是阀杆螺母和阀杆、涡轮和涡杆两组齿轮对的螺纹自锁功能失效（齿轮对的传动比OAR小于30时，阀门没有自锁功能）导致反作用冲击造成。多是由于执行器设计或选型不当造成。
临时性解决措施：反锤击控制逻辑。通常的反锤击控制逻辑有两种，一种是将阀门关阀按钮和远程逻辑改为带保持功能，这样一旦阀门关闭，控制系统将会自动锁闭接触器从而防止电机再次启动。另一种是将阀门由力矩关闭改为限位关闭，阀门的反冲击是能够造成限位开关反转的，但是由于限位开关周转行程更长且控制精度很高，微小的涡轮反转并不足以造成限位开关反转而接通电源。所以限位关的阀门很少会出现锤击现象。
永久性解决措施：更换为有自锁能力的齿轮对。锤击是一种阀门缺陷，如果要彻底维修，更换不能自锁的涡轮、涡杆、阀杆螺母和阀杆才是最终的解决之道。
6.2 机械限位调整不合理
机械限位是保护阀门的最后一道屏障，它在限位开关和力矩开关都失效时通过堵转电机使热保护动作来关闭阀门并发出故障信号，机械限位必须设定在非常合理的范围内。
如某阀门时，执行器额定输出转矩为2963 ft-lbf，但全关时阀杆上实际测量值为525 ft-lbf，也就说有2438 ft-lbf的力矩消失了。增加力矩开关，而阀杆上的力矩不见增大。根据曲线图判断为机械限位动作，拆开后发现机械限位螺栓已被顶弯。
6.3 开限位设置不合理
电正常情况下，限位开关应设定在距离阀门背密封位置1/4-3/4 inch处，目的是留有足够裕量保证开阀时不损伤背密封。但如发现阀门打开后力矩突然增大。一般为为阀门回圈数过少，导致顶到背密封。根本原因为执行器的开限位设定有误，重新调整限位后，阀门恢复正常。
七、电动阀诊断的意义
7.1 阀门诊断的必要性
降低工作量，降低辐射剂量。阀门维修都是核电厂工作量最大的专业，且阀门往往处于受限空间，作业难度大，风险集中，辐射剂量大。“工欲善其事必先利其器”，经过实践可以证明，电动阀诊断仪是一种有效的辅助诊断工具。它能在人员不暴露于辐射环境的情况下不解体阀门就能精确判断故障类型和位置，减少了无谓的剂量。
防范于未然，预测性维修的利器。诊断仪的终极目的并不是阀门的调试和消缺，而是要绘制阀门趋势图以指导后续维护方案的制定，阀门的调试为设备采集初始数据，而周期性的诊断则是对阀门纠正和完善。如此几个维修周期后可及时掌握设备的老化情况，制定准确的维修方案。
7.2 电动阀专项管理大纲
电动阀专项管理大纲是电动阀维修的指导性文件，管理所有阀门相关为数据库、维修大纲、人员和物资等。如7.1所说，阀门诊断的终极目标是建立对每个阀门趋势图，根据趋势来自动触发预防性维修大纲相应的条目，最后由专项组的阀门工程师来执行维修活动。
八、结束语
改变陈旧思维，接受新方法、新思想。在“鱼”和“渔”的选择上，阀门诊断仪仅充其量为一种诊断工具，诊断技术也不一定胜过经验丰富的技工，但伴随诊断系统引入外国数据化的维修手段，规范化管理，体系化的知识，才值得国内的受教者顶礼膜拜。
参考文件：
[1] Nuclear Maintenance Applications Center: Application Guide for Motor-Operated Valves in Nuclear power Plant-Revision 2: Volume 1 gate and globe valves
[2] Limtorque Actuator SM/SMB User Manual