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        核級(jí)升降式止回閥改進(jìn)研究

        2020-09-24 00:27:08祝太富傅仁浦秦博杰史慶峰
        設(shè)備管理與維修 2020年17期
        關(guān)鍵詞:壓孔閥瓣閥座

        祝太富,邱 磊,傅仁浦,秦博杰,史慶峰

        (中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江嘉興 314300)

        0 引言

        長(zhǎng)期以來,秦山第二核電廠(以下簡(jiǎn)稱“秦二廠”)1#機(jī)組RIS(安全注入系統(tǒng))硼酸再循環(huán)回路流量處于偏低水平,經(jīng)分析并查詢1RIS021/022PO 的安裝調(diào)試報(bào)告以及試驗(yàn)記錄,發(fā)現(xiàn)1RIS030MD的流量一直保持在3.2~3.4 m3/h,設(shè)計(jì)額定流量為4.1 m3/h,而RIS硼酸再循環(huán)回路的低流量報(bào)警值為3 m3/h,細(xì)微的流量波動(dòng)將有可能導(dǎo)致報(bào)警觸發(fā)。結(jié)合外部經(jīng)驗(yàn)反饋及閥門結(jié)構(gòu)分析,導(dǎo)致回路流量偏低的根本原因是現(xiàn)場(chǎng)止回閥流通能力不足,因此需對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的閥門進(jìn)行改進(jìn),以確保后續(xù)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        1 止回閥原理及結(jié)構(gòu)

        止回閥又稱單向閥、逆流閥和逆止閥,是指依靠管路介質(zhì)流動(dòng)而開啟、關(guān)閉閥瓣的閥門。止回閥屬于自動(dòng)閥門,其主要作用為防止介質(zhì)倒流和泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)、防止容器介質(zhì)外泄等。

        按結(jié)構(gòu)劃分,秦二廠的止回閥主要有旋啟式和垂直升降式兩種,占閥門總數(shù)的18%.

        硼酸再循環(huán)泵出口止回閥為帶輔力彈簧式(彈簧載荷)升降式止回閥:閥門主要由閥體、閥蓋、閥瓣、彈簧、閥座等零部件組成;閥座和閥瓣密封面堆焊司太立合金;閥瓣上設(shè)置有兩個(gè)軸向泄壓孔及一個(gè)泄壓槽,兩個(gè)平衡孔通過匯集為一個(gè)泄壓孔與閥門上腔連通(圖1)。

        止回閥的工作過程:介質(zhì)由進(jìn)口流入時(shí),閥瓣被介質(zhì)沖開而提升;在閥瓣上升過程中,通過泄壓槽排出介質(zhì),以減小閥瓣開啟時(shí)的阻力,使閥瓣離開閥座讓介質(zhì)通過;當(dāng)介質(zhì)停止流動(dòng)或回流時(shí),閥瓣通過上部彈簧及其自重作用快速關(guān)閉。

        2 止回閥流通能力不足的影響因素

        2.1 閥門狀態(tài)分析

        圖1 硼酸再循環(huán)回路出口止回閥結(jié)構(gòu)

        止回閥閥瓣在介質(zhì)壓差產(chǎn)生的作用力及彈簧作用力下趨于閉合狀態(tài),而開啟過程中除了介質(zhì)壓差及彈簧壓力外,還受到閥瓣的重力以及閥瓣與閥體間的摩擦力影響,即:密封力=介質(zhì)壓差作用力+彈簧力+閥瓣重力-閥瓣與閥體間摩擦力。所以,止回閥通過彈簧壓力將閥瓣壓緊在閥座密封面上,實(shí)現(xiàn)密封,當(dāng)流體介質(zhì)按規(guī)定方向流經(jīng)止回閥時(shí),介質(zhì)克服彈簧壓力、閥瓣自重和閥瓣與閥體間的摩擦力,沖開閥瓣,使介質(zhì)流通。

        因本文所述止回閥工作介質(zhì)屬于中壓,忽略閥瓣重力以及閥瓣與閥體間摩擦力。這樣,閥瓣即將開啟時(shí),流體介質(zhì)作用于閥瓣的作用力為

        式中 F——閥瓣介質(zhì)作用力,MPa

        Di——密封面內(nèi)徑,mm

        Bm——閥座密封面寬度,mm

        P——入口介質(zhì)壓力,MPa

        Pi——閥瓣后壓力(背壓),MPa

        其中,PN為閥門的公稱壓力,是指在具體某一公稱直徑及工作溫度下的閥門允許最大工作壓力。所以,閥門開啟需滿足FF0,介質(zhì)作用于閥瓣的力需大于密封比壓所要求力。

        2.1.1 彈簧壓力

        閥門的密封性能由足夠的密封比壓及良好的密封面加工質(zhì)量決定,加工質(zhì)量依靠加工工程保證,止回閥處于關(guān)閉位置時(shí),閥芯依靠彈簧壓力保證其有足夠的密封力,在閥門開關(guān)過程彈簧是控制開啟壓力的關(guān)鍵,彈簧壓力過大,雖然對(duì)關(guān)閉過程有利,可以使閥芯在彈簧作用力下迅速關(guān)閉并保證更好的密封效果,但同樣增大了閥門的密封比壓。因此,在保證密封面間有足夠密封力的前提下,應(yīng)減小其彈簧壓力。

        2.1.2 密封面寬度

        閥門閥座與閥瓣的密封形式為面密封,面密封形式使閥芯閥座接觸面寬度較大同樣導(dǎo)致其密封比壓增大;且閥門開啟再次關(guān)閉后易在密封面中殘留介質(zhì),介質(zhì)的表面張力對(duì)閥門再次開啟起阻礙作用,增大閥門開啟壓力。故可通過減小密封面寬度方面著手,以減小閥門開啟壓力。

        2.2 流通能力分析

        閥門常采用流阻系數(shù)以及流量系數(shù)描述其流通性能優(yōu)劣,流阻系數(shù)越小,流量系數(shù)越高,則閥門的流通性能越好。兩者定義如下[2]:

        式中 Cv——流量系數(shù)

        Kv——流阻系數(shù)

        v——介質(zhì)在管道中的流速,m/s

        qv——體積流量,m3/h

        2.2.1 泄壓孔

        當(dāng)介質(zhì)作用于閥芯力大于密封比壓力后,閥芯離開閥座,介質(zhì)通過泄壓孔流入閥芯上腔,克服彈簧壓力、閥芯閥體摩擦力后推動(dòng)閥芯向上移動(dòng)。本文升降式止回閥,其閥瓣中設(shè)置有兩個(gè)泄壓孔,且兩個(gè)泄壓孔最終匯集為一個(gè)泄壓槽與上腔連通;該設(shè)計(jì)對(duì)介質(zhì)進(jìn)入上腔有一定的阻礙作用,減小介質(zhì)管道中的流速,并加劇中腔內(nèi)紊流的產(chǎn)生,增大流經(jīng)閥門的壓力損失,使閥內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定性降低,增大閥門流阻系數(shù);根據(jù)文獻(xiàn)[3]分析可知,更多的泄壓孔可使閥門性能更優(yōu),產(chǎn)生負(fù)壓絕對(duì)值小,可降低氣穴概率發(fā)生,使流道內(nèi)部流體更加平穩(wěn)。

        2.2.2 閥芯行程

        較小的閥芯行程導(dǎo)致閥腔內(nèi)空間較小[4],流阻較大,介質(zhì)流量小,介質(zhì)在管道中流速就小,流經(jīng)閥門的壓力損失p 高。適當(dāng)增加閥門行程可使閥門出口負(fù)壓區(qū)域減小,內(nèi)部介質(zhì)更加穩(wěn)定,流量系數(shù)增大,同時(shí)流阻系數(shù)相應(yīng)減小,因此可增大閥門行程。

        3 處理措施

        根據(jù)上述分析結(jié)果,經(jīng)與設(shè)計(jì)院、閥門生產(chǎn)廠家進(jìn)行探討,由閥門廠家重新設(shè)計(jì)并提供設(shè)計(jì)樣圖(圖2)。

        圖2 改進(jìn)后閥門

        改進(jìn)后的閥門閥芯閥座密封面形式為線密封,減小了密封面寬度,并避免閥門開啟過程中的介質(zhì)張力阻礙;閥門取消了背壓彈簧,閥芯開啟過程中無需克服彈簧阻力做功,減小了閥門的密封比壓;將泄壓孔數(shù)量增加至4 個(gè),使介質(zhì)更易進(jìn)入閥門上腔,減小了閥門的壓力損失,并增大閥內(nèi)介質(zhì)流速,有利于增大閥門流量系數(shù)。適當(dāng)增加閥芯開啟行程,使閥門獲得更大的閥腔空間和出口截面有效流動(dòng)面積,有利于提高閥內(nèi)介質(zhì)流速,流阻減小,介質(zhì)流量增大且高速區(qū)域面積增加,使流經(jīng)閥門的壓力損失p 減小流動(dòng)穩(wěn)定性有明顯的改善,有助于提高閥門的流通能力。

        4 結(jié)論

        以秦山第二核電廠安全注入系統(tǒng)硼酸再循環(huán)泵出口止回閥為例,從閥門狀態(tài)以及流通能力方面,結(jié)合閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)核級(jí)升降式止回閥提出改進(jìn)建議。

        (1)止回閥的背壓彈簧及接觸面寬度決定了其密封比壓,應(yīng)在保證密封比壓的前提下適當(dāng)減小彈簧壓力及接觸面寬度,以降低閥門開啟壓力。

        (2)泄壓孔的數(shù)量及閥芯的行程則影響了閥內(nèi)介質(zhì)流速及流經(jīng)閥門的壓力損失,增加泄壓孔的數(shù)量并增大閥芯行程可降低閥門流阻,提高閥門流通能力。

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