核級小口徑升降式止回閥流量系數測試與結構改進(jìn)

　　介紹了核電廠(chǎng)核級升降式止回閥的結構，分析了導致CV 值偏小和不穩定的原因。對閥門(mén)原有的結構進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后的閥門(mén)進(jìn)行了流量試驗驗證。

1、概述

　　在核電安全注入系統( RIS) 中，核級小口徑升降式止回閥( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)止回閥) 是一種使用較為廣泛的閥門(mén)，用來(lái)防止介質(zhì)倒流。在核電廠(chǎng)供貨的止回閥中有部分出現了CV值嚴重偏低的問(wèn)題，并伴隨振動(dòng)和噪聲的異�，F象，解體檢查發(fā)現閥門(mén)存在閥瓣未能完全開(kāi)啟甚至卡塞的現象。止回閥是指依靠介質(zhì)本身流動(dòng)而自動(dòng)開(kāi)、閉閥瓣的閥門(mén)。閥門(mén)的CV值是衡量閥門(mén)流通能力的指標，CV值越大說(shuō)明流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)的壓力損失越小。因閥門(mén)CV值偏低，能導致系統流動(dòng)阻力大，影響泵的性能，使系統再循環(huán)流量不能滿(mǎn)足核電廠(chǎng)系統要求，需要對其結構進(jìn)行分析和改進(jìn)。

2、分析

2.1、動(dòng)作特性

　　止回閥一般是由閥體、閥蓋和閥瓣等組成。閥座密封面是由閥體堆焊硬質(zhì)合金后加工而成，閥瓣密封面采用錐型環(huán)面密封，由本體堆焊硬質(zhì)合金加工而成。閥瓣以閥體中腔孔作為導向，沿著(zhù)中心線(xiàn)上下滑動(dòng)。當介質(zhì)順流時(shí)，閥瓣靠介質(zhì)推力開(kāi)啟。當介質(zhì)反方向流動(dòng)時(shí)，由介質(zhì)壓力和閥瓣的自重使閥瓣作用于閥座上，阻止介質(zhì)出現逆流現象( 圖1) 。

(a) 閥瓣由閥體導向(b) 閥瓣由閥蓋導向

圖1 升降式止回閥

2.2、流量試驗

　　對核電廠(chǎng)現場(chǎng)使用的DN50-Class1500止回閥(圖1a)按流量試驗標準JB/T5296-1991的要求進(jìn)行了流量系數CV值試驗得出一組數據(表1)。

　　流量系數CV值為

　　式中 Q———單位時(shí)間內流經(jīng)閥門(mén)的介質(zhì)體積，m3/h

　　△p———測量裝置測得的總壓差，kPa

　　ρ———流體密度(ρ=1)，kg/cm3

表1 止回閥流量系數試驗數據(DN50-Class1500)

　　經(jīng)過(guò)流量試驗表明，閥門(mén)的平均流量系數CV值與系統運行要求的數據比較有很大的差距。閥門(mén)流量試驗后，解體發(fā)現閥瓣有卡塞現象，修復后重新試驗其結果仍然達不到要求，需對其結構進(jìn)行分析和改進(jìn)。

2.3、結構性能

　　(1)閥瓣深入閥蓋尺寸偏小

　　根據實(shí)測，閥瓣在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)深入閥蓋實(shí)際有效尺寸為5mm，極易導致閥瓣深入閥蓋的尺寸不足，在體、蓋內孔尺寸控制不嚴格的情況下，可能導致閥瓣運動(dòng)出現卡塞現象(圖1a)。

　　(2)閥體中腔導向長(cháng)度不足

　　閥瓣導向直徑D=60mm，導向長(cháng)度L=47mm，L/D=0.78，與一般經(jīng)驗值L/D=1.2的要求相差很大。同時(shí)，由于閥門(mén)出口流道位于中腔導向面，對導向產(chǎn)生不利影響，所以這種導向設計不合理。

　　(3)閥體、閥瓣和閥蓋運動(dòng)副配合間隙不合理

　　閥門(mén)解體后測量的閥體中腔、閥瓣直徑D與其對應的CV值數據見(jiàn)表2。為進(jìn)一步驗證配合間隙和CV值的關(guān)系，用DN50-Class150(其結構與圖1a同)止回閥進(jìn)行流量系數試驗，其數據見(jiàn)表3。

表2 DN50-Class1500止回閥解體測量的D值與其對應的CV值

表3 DN50-Class150止回閥測量的D值與其對應CV值

　　(4)閥門(mén)內表面粗糙度Ra值的影響

　　介質(zhì)在閥門(mén)內部流動(dòng)與閥門(mén)內腔產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失，閥門(mén)內腔越粗糙，介質(zhì)的流量系數CV值越低。

　　通過(guò)由表2、表3及圖2、圖3流場(chǎng)分析，可以看出閥瓣在全開(kāi)狀態(tài)下閥體與閥瓣接觸長(cháng)度約為導向長(cháng)度的1/2。閥門(mén)流道孔中的箭頭代表介質(zhì)的流速和流向(圖2)，介質(zhì)在閥瓣下面有一個(gè)紊流區域，當閥體與閥瓣的配合間隙大時(shí)，閥體不能很好的約束閥瓣，閥瓣會(huì )隨著(zhù)介質(zhì)轉動(dòng)和擺動(dòng)，增大了閥門(mén)紊流區域，所以閥門(mén)壓力損失增大。反之，配合間隙小時(shí)，閥體對閥瓣有較好的控制，閥瓣隨介質(zhì)的轉動(dòng)和擺動(dòng)的程度降低，減小對介質(zhì)流動(dòng)的影響(圖3)。通過(guò)分析和試驗證明，閥瓣與閥體的配合間隙減小，CV值增大。

圖2 改進(jìn)前閥體中腔孔導向止回閥的流場(chǎng)分析

圖3 改進(jìn)后閥蓋導向止回閥的流場(chǎng)分析

3、改進(jìn)

　　針對上述分析的幾個(gè)方面的原因，對止回閥的結構進(jìn)行了改進(jìn)( 圖1b) 。

　　(1) 擴大閥體中腔

　　閥瓣以閥蓋內孔作為導向面，該結構減輕了閥瓣自重，使閥瓣導向長(cháng)度L 與閥蓋導向孔直徑D'的比值L /D'在1. 2 ～ 1. 5 之間。減小閥瓣開(kāi)啟高度，閥瓣在完全開(kāi)啟狀態(tài)下中腔的環(huán)形面積均大于流道截面積，降低介質(zhì)在閥體中的流動(dòng)損失。閥門(mén)結構改進(jìn)前后的數據對比見(jiàn)表4。

表4 DN50 - Class1 500 止回閥改進(jìn)前后的數據對比

　　(2) 控制閥瓣導向配合間隙在滿(mǎn)足溫度變化要求的前提下，盡量減小配合間隙以此提升CV值。

　　(3) 提高閥門(mén)內腔光潔度閥門(mén)內表面粗糙度Ra值控制在3. 2 ～ 6. 3μm之間，取其下限效果較好。

4、試驗

　　對結構改進(jìn)后的止回閥，重新進(jìn)行了流量系數試驗得出下列一組數據( 表5) 。

表5 結構改進(jìn)后的DN50 - Class1 500止回閥流量系數試驗數據

5、結語(yǔ)

　　止回閥結構改進(jìn)后，其CV值試驗結果有了大幅提高。另外，應控制閥蓋導向、閥蓋與閥瓣配合間隙及提高零件配合面的粗糙度和增加閥瓣與導向件之間配合面的同軸度、同柱度等形位公差控制要求，使其在滿(mǎn)足溫度變化要求的前提下，盡量減小配合間隙，以保證閥門(mén)CV值的穩定。對止回閥流量系數測試數據分析的過(guò)程和結論，為閥門(mén)的設計、制造以及系列化和軟件模擬計算奠定了基礎。