核级电磁阀线圈寿命评估方法

汪亮 云浩 高轩 黄远 张益舟

摘 要

针对核级电磁阀线圈，分析主要部件构成及老化机理，梳理能够表征电磁阀线圈可靠性的老化敏感参数，包括外观状况、直流电阻、线圈匝间绝缘电阻、绝缘硬度、氧化诱导时间等。针对梳理出的老化敏感参数，给出对应的性能检测及寿命评估方法，并用试验实例说明上述方法的可靠性。最后，给出核电厂电磁阀线圈的老化管理行动建议。

关键词

核级电磁阀线圈;老化机理;敏感参数;性能检测;寿命评估

中图分类号： V433.9                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 62

0 引言

电磁阀线圈作为典型的仪控元件，广泛地用于核电控制系统中，部分核级电磁阀线圈对核电厂的安全、经济运行起着至关重要的作用，如主蒸汽系统、主给水系统、换料系统的电磁阀线圈。电磁阀线圈随着服役时间的增加将出现老化降质，若发生非预期失效将影响核电厂的正常运行，严重时导致非计划停机、停堆，并造成重大经济损失。因此，有必要监测核级电磁阀线圈的老化状态，在其失效前及时采取纠正性行动措施，避免造成停机、停堆或重大经济损失事件。

目前针对电磁阀线圈的检查措施少有报道，主要管理措施为外观检查或失效后更换，属于被动老化行动管理，不能积极预防电磁阀线圈的失效。

鉴于此，文章总结了电磁阀线圈的主要老化机理，提出了一系列性能测试方法，并通过试验验证各种性能测试方法的效果，获取电磁阀线圈的敏感性能指标，为核级电磁阀线圈的老化状态监测提供参考。

1 电磁阀线圈的老化机理

1.1 结构构成

电磁阀线圈主要由漆包线、塑封外壳、绝缘导线等部件构成。漆包线缠绕在塑封外壳内，末端连接绝缘导线，绝缘导线连接外部控制电源。电磁阀线圈整体安装在电磁阀基座上，通过电磁力控制阀体的移动从而控制气体或液体的流动。

1.2 老化机理

根据电磁阀线圈的结构构成及工作环境，导致电磁阀线圈老化的主要因素依次如下。

1.2.1 环境高温

环境高温包含周围环境高温加上电磁阀线圈的欧姆热自温升，在环境高温下，漆包线绝缘、塑封外壳、连接导线等绝缘物质容易发生老化降级，甚至开裂。

1.2.2 长时间励磁

长时间励磁可能导致线圈漆包线薄弱点产生局部剩余电流，进一步使薄弱点温度升高，直至线圈断开。

1.2.3 浪涌电流冲击

电磁阀的启停存在浪涌电流冲击，尤其是频繁启动电磁阀，浪涌冲击将导致线圈漆包线薄弱点降级，甚至发生电击穿。

1.2.4 振动疲劳

电磁阀线圈运行過程中由于流体的流动发生振动，会导致电磁阀线圈承受振动疲劳，进而导致塑封外壳、绝缘导线端部降级，甚至开裂。

2 敏感参数及测量方法

根据电磁阀线圈的构成及工作原理，可设置以下敏感性能参数。

2.1 外观状况

外观状况是指电磁阀线圈各部件的外观结构，部件老化后将会出现微小裂纹、材料损失、或者氧化等现象。外观状况通过高倍数的光学显微镜进行拍照记录。

2.2 直流电阻

直流电阻指线圈漆包线的直流电阻，漆包线随着老化的进行，直流电阻将会呈现趋势性变化。直流电阻通过高精度数字电表测量绝缘导线的两端得到[1]，所有测量结果需在相同实验室温度进行或者换算至基准温度。

2.3 线圈温升

线圈温升指电磁阀线圈通电后的欧姆热自温升，线圈老化至寿命末期，线圈温升将升高。线圈温升通过高准确红外热成像仪或点温仪测量[2]。

2.4 阻抗谱

阻抗谱指线圈漆包线的交流阻抗谱，漆包线随着老化的进行，阻抗谱在敏感频率下将呈现趋势变化。阻抗谱通过阻抗分析仪或网络分析仪进行测量得到。

2.5 绝缘硬度

绝缘硬度指绝缘表面的抗挤压性能，随着绝缘材料的老化降级，其表面硬度会呈现趋势变化。绝缘硬度可通过硬度计或者压缩模量仪测试得到[3]。

2.6 氧化诱导时间

氧化诱导时间指高分子物质在高温氧气环境下开始发生自动催化氧化反应的时间，随着老化的进行，氧化诱导时间将呈现趋势性变化。氧化诱导时间可通过DSC测试得到。

2.7 绝缘电阻

绝缘电阻指线圈漆包线与外部绝缘部件的电阻，线圈漆包线老化至寿命末期，绝缘将发生降级。绝缘电阻通过绝缘电阻仪测试得到[1]，测试时将线圈浸没常温水中（绝缘导线端部除外）进行测试。

3 实例分析

以某核电厂核级电磁阀线圈为例，对本文所提的敏感参数评估方法进行说明。在实验室对核级电磁阀线圈开展老化试验，试验分两组，1组采用115Vac供电老化（样本1），一组采用105Vac供电老化（样本2），两组均老化12个周期，每个周期设置为通电10h，断电1h。对核级电磁阀线圈各敏感指标的测试结果及分析如下所示。

3.1 外观状况

外观检查发现，115Vac样本老化程度明显高于105Vac样本，整个过程呈现逐渐老化，无法获取外观状况性能趋势指标。但可根据裂纹大小、材料损失程度、氧化程度作为判废指标。

3.2 直流电阻

线圈漆包线直流电阻测试显示，随着老化程度加深，直流电阻呈现先降低后上升的现象，适合作为敏感性能指标。由于老化时间未至寿命末期，因此两种应力下指标相差不大。

3.3 线圈温升

线圈温升测试显示，线圈老化未至寿命末期，老化进程中温差不明显，线圈温升不适合做趋势分析指标。

3.4 阻抗谱

阻抗谱分析表明，随着老化的进行，存在多个敏感频率点，阻抗幅值能区分老化的严重程度，适合作为敏感性能指标。

3.5 绝缘硬度

塑封外壳硬度测试表明，硬度测量值随老化进程呈现趋势性变化，适合作为敏感性能指标。

3.6 氧化诱导时间

塑封外壳氧化诱导时间测试表明，随着老化的进行，氧化诱导时间总体上呈现逐渐上升的趋势，适合作为敏感性能指标。

3.7 绝缘电阻

线圈漆包线绝缘电阻测试表明，线圈老化未至寿命末期，绝缘电阻测试值趋势不明显，不适合作为敏感性能指标，但可作为判废指标。

4 寿命评估方法

根据第3章的实例分析，线圈直流电阻、阻抗谱幅值、绝缘硬度、氧化诱导时间可作为电磁阀线圈寿命分析的敏感性能指标，外观检查、线圈温升、绝缘电阻可用于定性判废，不适合作为寿命评估参数。

电磁阀线圈在出厂时给了推荐的更换寿命，该寿命为在规定运行环境下能可靠运行的保守时间，称为截止寿命;但根据实际运行状况，电磁阀线圈的实际寿命，也称终止寿命大于截止寿命。

4.1 截止寿命评估方法

截止寿命评估适用于已有固定更换寿命的电磁阀线圈，该寿命通过查询厂家出厂试验报告或经过一段时间的加速老化试验获取。通过出厂试验报告或者老化试验后获取截止寿命的敏感性能参数值，将该参数作为截止寿命判据。通过加速老化试验获取初始性能至截止参数的的寿命曲线，如第3章直流电阻等敏感性能参数拟合函数的反函数;并寻找加速老化与正常老化的加速因子。

4.2 终止寿命评估方法

终止寿命分析适用于即将到达厂家推荐的截止寿命但性能状态良好的电磁阀线圈，终止寿命由国家标准或国外研究机构给出终止寿命判据，可通过加速老化试验达到规定的终止寿命判据，获取寿命曲线及加速老化因子。

获取敏感指标寿命曲线及对应的加速老化因子后，测试现场电磁阀线圈的敏感性能参数，将性能参数测量值与寿命曲线进行对比，识别电磁阀线圈的性能状态及剩余寿命。

5 结论与建议

通过本文表明，在核电厂运行过程中，可通过测量直流电阻、阻抗谱、氧化诱导时间等敏感性能指标有效跟踪核级电磁阀线圈的老化状态，在失效前采取纠正性行动措施，减小非预期停机、停堆的概率，以及重大的经济损失。

为保障核级电磁阀线圈的安全可靠运行，提供如下行动建议：

（1）筛选核电厂的电磁阀线圈，将核安全相关电磁阀线圈作为重要管理对象，进行主动老化管理。

（2）加速老化试验获取核级电磁阀线圈的寿命曲线，并通过本文所述敏感性能指标监测电磁阀线圈的性能状态。

（3）必要時改善核级电磁阀线圈的运行环境，如合理范围内降压运行、调节工作模式，以及工作环境通风降温等。

参考文献

[1]GJB 360B-2009电子及电气元件试验方法.

[2]GB/T 38238-2019无损检测仪器红外线热成像系统与设备性能描述.

[3]GB/T 3398.2-2008塑料硬度测定.