核电站两位三通交流电磁阀共性问题分析及改进

樊美宁，俞 骁，欧明秋

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

秦山核电一期常规岛常采用ASCO生产的两位三通电磁阀，多用在给水、疏水调节阀进行阀门开断，近5年8320A020型号电磁阀缺陷频发。通过电磁阀外观检查、显微观察、线圈直阻、电压、泄漏测试、密封性等材料及性能试验，找到同型号不同寿命周期的交流电磁阀共性缺陷原因。缺陷一产生于2020年12月，秦山核电一期给旁母管疏水阀PLQ-02SV提供压缩空气的电磁阀失效，该电磁阀于2012年投入使用的常得电开电磁阀，服役期间平均15天跳动1次；缺陷二产生于2021年10月，秦山核电一期导汽管疏水阀JBS-01V上电磁阀失效，该电磁阀于2019年投入使用，为常开电磁阀，服役期间很少动作。两个失效电磁阀表现为开关不严、漏气，且吸合噪音很大，甚至出现无法动作的情况。

1 电磁阀结构与分类

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用来控制流体的自动化基础元件，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。阀门有很多种驱动方式，可根据其驱动方式将其分为：电磁阀、气动阀、液动阀、手动阀等。而电磁阀是一种机电转换装置，按照不同的分类方法可对电磁阀进行不同的分类。按照工作电压的不同，可将其分为交流和直流两类，其中可使用的交流电压类别有：AC220V、AC380V、AC110V、AC24V四类；直流电压有：DC220V、DC24V、DC12V、DC6V四类；一般常用的有DC24V以及AC220V。按照电磁阀的位通数可将电磁阀分为：二位二通、二位三通、三位四通等。其中，所谓电磁阀的位是指工作情况下，电磁阀阀芯的工作位置数，而通是指电磁阀阀体上各不相通且可与外接连接装置相连的接口数。除以上分类之外，最常见的是按照工作原理的分类标准，有三类：直动式、先导式以及分步直动式。其中，直动式电磁阀结构原理最为简单，只有一个阀门。当电磁力增大到足以克服反作用力的时候，电磁阀开通，其在零压差、负压差或者真空环境下都能正常工作，对安装环境要求低。而先导式电磁阀则有两个阀门，其中一个主阀，一个先导阀，需要有一定的压差环境。正常工作情况下，电磁力先把先导小阀开通，在压差的作用下再将主阀打开。相比于直动式电磁阀，先导式电磁阀的优势在于其可选择的通径较大。而分步直动式电磁阀结合了前两种电磁阀的优点，既可以在有压差的工作情况下工作，也可以无需压差。在零压差、高压以及真空环境下均能正常工作，但是其可选择的工作通径有限，导致其能被应用的场合有限，且功率消耗过大。

2 故障分析与排除

两个缺陷的电磁阀日常工作为持续带电状态，得电通气使疏水阀关闭，失电排气使疏水阀打开。以导汽疏水阀JBS-01V的缺陷为例，当危急遮断复位油压高信号及本体疏水控制开关等信号断开时，电磁阀失电使疏水阀打开。从电站计算机系统中看，JBS-01V在10:56:40时开，11:06:50时恢复关闭，在11:25:12时再次打开。每次打开和关闭都伴随平均温度的急剧下降和上升，这说明阀门确实开启。

导致阀门故障开启的有以下原因。

2.1 电磁阀本体故障

JBS-01V的控制回路的电磁阀是两位三通常闭型。正常情况下电磁阀得电时，压空入口1、电磁阀与阀门接口2通，气缸内带压，阀门JBS-01V关闭；失电时，入口1、电磁阀排气口通，气缸内压力卸掉，阀门JBS-01V打开。

在失电状态时，铁芯上弹簧弹力大于底座弹簧弹力，铁芯推着阀板底座往下走，阀板底座密封与下口的气孔开启，气缸内压力经由1口和3口卸掉，同时铁芯的密封堵住上口的气孔，2口处于关闭状态，气缸失去气源，JBS-01V打开。

在得电状态下，线圈将铁芯往上吸合，上弹簧缩进铁芯内部，铁芯底部的密封与上口气孔分开，压空从2口和1口进入气缸，底座弹簧推着阀板底座封住下口，3口处于关闭状态，气缸带压，阀门JBS-01V关闭。

电磁阀带电，但是电磁阀3口有气排出，说明电磁阀本身已经故障。

由于缺陷电磁阀型号与两份状态报告CR202127995《04#厂房0M旁路母管疏水控制阀PLQ-02SV自动时始终在常开状态，未根据旁排疏水袋液位自动开关》、CR202065801《05#713主控CB528盘一级再热蒸汽逆止阀前疏水控制阀ZR1-02SV阀门控制异常》相同，考虑有共性问题的可能，故对缺陷后电磁阀进行结构、材料检测试验。

分析电磁阀可能的故障部分有电磁阀线圈、电磁阀铁芯（包括卡涩）、电磁阀复位弹簧、电磁阀密封面等，试验结果见表1。

通过表1分析电磁阀本体可能有以下影响因素。

表1 电磁阀试验结果Table 1 Solenoid valve test results

2.1.1 电磁阀线圈

1）线圈直阻

分析报告中电磁阀线圈阻值887Ω，JBS-01V的电磁阀2016年测量记录960Ω，差别为73Ω。根据电磁力公式以及电磁强度可知，电磁力与电磁强度B成正比，电磁强度B与电流I成正比，电磁线圈直阻越大，电流越小，相应的电磁力越小。单从电阻值方面分析，该电磁阀线圈阻值较小，并不会导致电磁力不足。

2）线圈短路（部分短路）

排除电磁阀本身直阻问题外，电磁阀线圈因其他原因导致短路（包括匝间部分短路）也需考虑。根据Q=I2Rt可知：电阻减小，会导致线圈热量损耗加大，从而导致电磁力不足。不仅如此，匝间短路可以类比于匝数减少，根据公式同样可以推断出电磁力下降。与样本1及2016年预维样本相比，该线圈阻值明显偏小，不排除线圈有部分短路情况。

由于没有同型号正常电磁阀进行对比，厂家数据中也没有提供相应的参数，目前只能根据样本1及之前正常使用的预维样本进行对比分析。后续将在秦山核电一期121大修期间，对正常的电磁阀线圈进行阻值测量才能判断电磁阀线圈是否有问题。因此，存在电磁阀线圈性能下降，导致电磁力不足以克服弹簧力的原因可能性。

3）交流电压影响

由试验结果可知，电磁力处于交变状态下，电磁阀电磁力随着交流电压波形变化维持在5.42N～12.75N之间，弹簧的弹力为9.71N。若电磁阀铁芯运行过程中阻力增强，电磁力大于弹簧弹力的占空比即电磁阀吸合时间占整个工作周期的百分比不够，不足以完全吸合铁芯，铁芯将处于反复吸合状态。

阀门JBS-01V在阀门阻力最小时，执行机构气腔压力为0.014Pa就可以克服阻力阀门关闭。JBS-01V的供气压力为0.24Mpa，膜片面积为67700mm2，行程为29mm，估算体积为2L左右。电磁阀反复吸合与释放，让JBS-01V气缸内间断充气和排气，成为一个动态平衡。当电磁阀吸合的时间小于未吸合时间，电磁阀内1、3号口泄气导致JBS-01V气缸内压力无法维持0.014Pa以上的压力时，JBS-01V打开。

JBS-01V电磁阀为2019年9月份投入使用，短短两年的使用时间即出现卡涩情况非常少见。目前，可以通过测量电磁阀线圈阻值来反映和监测线圈的老化和性能。查询预防性维修大纲，在JBS-01V的预防性维修中有测量电磁阀阻值的要求，但是在维修规程中没有相应的测量步骤和记录。

2.1.2 电磁阀铁芯卡涩

从检测报告中可以看出，电磁阀铁芯没有发现明显异常或者磨损情况，内部也没有发现异物，所以铁芯卡涩的原因可以排除。

2.1.3 电磁阀复位弹簧异常

电磁阀的工作过程依次分为吸合触动过程、吸合运动过程、保持吸合过程，及释放过程。试验过程中，如图1所示电磁阀复位弹簧A弹力为9.1N，底部弹簧B弹力为0.3N～0.5N（此处可忽略不计），电磁阀带电时电磁力为5.42N～12.75N之间，在电磁阀带电过程中，有部分时间电磁力不足以克服弹簧弹力。

图1 ASCO8320A020电磁阀内部结构Fig.1 Internal structure of ASCO8320A020 solenoid valve

在得电状态下，线圈将铁芯B往上吸合，弹簧A缩进铁芯内部，失电时弹簧从铁芯内松开并露出首端。而弹簧出现变形会导致线圈得电时弹簧进入铁芯内摩擦力变大，在整个交变磁场中需要更大的电磁力才能使铁芯克服摩擦力及弹簧弹力与线圈装置进行吸合，这进一步减少了电磁阀有效吸合的时间。当电磁阀内1、3号口泄气量大于1、2号口进汽量时，JBS-01V气缸内压力逐渐下降，导致JBS-01V打开。

由此可见，长期带电的电磁阀存在弹簧老化变形的可能性。在状态报告CR202127995《04#厂房0M旁路母管疏水控制阀PLQ-02SV自动时始终在常开状态，未根据旁排疏水袋液位自动开关》中已经识别，在秦山核电一期122大修中将对长期带电的没有定期更换的9台电磁阀进行更换。

2.2 通道故障

10月16日检查发现电磁阀正常得电，说明继电器得电，控制回路逻辑正常，故排除疏水阀控制通道故障可能。

2.3 阀门本体故障

缺陷现场疏水阀保持开状态，更换电磁阀后，阀门正常关闭，并未出现卡涩或不动作现象，故排除此阀门本体故障可能。

综上所述，电磁阀线圈性能下降，电磁阀弹簧变形导致电磁阀有效吸合时间减少为近期ASCO8320A020型号电磁阀故障的共性原因。

3 改进优化方式

1）检测样本电磁阀同型号库存件的弹簧弹力与电磁力，与样本电磁阀进行对比，明确弹簧弹力较大是老化导致，还是出厂本身就存现该现象。

2）定期清洁电磁阀阀体内部杂质并检查弹簧的状态，避免因弹簧卡涩造成电磁阀动作不到位。

3）电磁阀换型其他交流电磁阀。样本电磁阀弹簧弹力较大，在交变磁场中存在较大占空比电磁力不足以吸合铁芯的现象，容易导致吸合不严；另外样本电磁阀弹簧较细，通电时末端反复撞击顶部疲劳，容易发生变形导致吸合失效。

4） 现场电磁阀可换型使用直流电磁阀，解决因交流电源电磁力不足导致的动作不可靠，且能极大地消除振动与噪音。

由于现场无法针对电磁阀元器件安排纠正行动，可对电磁阀进行调研，通过增加验收手段、委托第三方检验、研制交流电磁阀试验台架等方式，对电磁阀进行考验。秦山核电一期除稳压器泄压阀使用直流电磁阀外，其余均为交流电磁阀，供电方式也已固定成型，所以整体更换成直流供电电磁阀较困难。除此之外，由于维修规程中没有测量阻值步骤，使预防性维修中也不能及时发现电磁阀性能下降。

综上原因考虑，给出适合秦山核电一期常规岛电磁阀故障优化的纠正行动项：

a）电磁线圈性能下降问题优化及改进方式：

① 升版电磁阀采购技术规范书，增加验收准则中原厂证明及试验证明。

② 秦山核电一期121大修中测量同类型电磁阀阻值，对比判断是否电磁阀线圈性能下降。

③ 预维大纲中对长带电电磁阀增加使用检漏液进行检漏的要求。

b）维修规程中没有测量阻值步骤问题的优化及改进方式：

① 梳理二回路一直带电工作的电磁阀预防性维修大纲是否都包括了电阻值测量，如果没有则增加。

② 梳理二回路一直带电工作的电磁阀预防性维修规程中是否都包括了电阻值测量步骤和记录，如果没有则增加。

4 结语

秦山核电一期常规岛电磁阀与秦山基地其他8台机组选型不同，电磁阀额定电压均为220VAC，其故障模式和直流电磁阀存在差异。由于电磁阀线圈处于交流电环境中，在交流电磁力作用下，电磁力处于交变状态，电磁力大于弹簧弹力的占空比不够时造成线圈不足以完全吸合铁芯，铁芯处于反复吸合状态。当弹簧首端出现变形时，在吸合的过程中，存在弹簧不能完全进入铁芯内部的情况，因此出现开关不严，漏气的现象。电磁阀在交流电磁力作用下，铁芯快速反复吸合。在这一过程中，铁芯撞击管壁导致振动与噪声。通过增加电磁阀预防性维修检查及备件预防性统一更换手段，提前了解电磁阀线圈断路、短路、卡涩漏气等情况，有效减少了因电磁阀弹簧损坏、阀芯杂质增加造成的交变磁场中有效占空比不足问题，提高了ASCO交流电磁阀在常规岛的设备可靠性。