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        彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥在核電廠中的飛射物源對(duì)比分析

        2021-07-01 06:59:52王保平嚴(yán)思偉余小權(quán)廖先偉
        科技視界 2021年15期
        關(guān)鍵詞:閥蓋穩(wěn)壓器閥體

        韓 冰 王保平 嚴(yán)思偉 余小權(quán) 廖先偉

        (中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610041)

        0 引言

        核電廠內(nèi)部飛射物,是指核電廠內(nèi)任何地點(diǎn)的承壓部件、旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備以及爆炸等持續(xù)能量所加速的物塊。

        高能流體系統(tǒng)中的閥門應(yīng)作為潛在的飛射物加以評(píng)價(jià)。閥體強(qiáng)度通常遠(yuǎn)強(qiáng)于連接管道,大多數(shù)情況下由閥體本身成為飛射物是相當(dāng)不可信的。閥蓋與閥體一般為螺栓連接,由于螺栓材料參考RCC-M所規(guī)定的極限應(yīng)力來選擇,法蘭的設(shè)計(jì)也參考RCCM的要求,所以阻止了閥蓋成為飛射物,即使螺栓可能會(huì)發(fā)生故障,但不可能所有的法蘭螺栓同時(shí)發(fā)生故障,因此,可認(rèn)為用螺栓連接的閥蓋不會(huì)成為可信的飛射物。如果在設(shè)計(jì)時(shí)除螺紋外還至少考慮了一種方法來防止閥桿飛射,例如,上密封或電動(dòng)/氣動(dòng)執(zhí)行裝置,那么閥桿就不作為潛在的飛射物來考慮。另外,螺母、螺栓、螺母和螺栓組件以及螺母和螺桿都只有很小的貯能,因此,不被認(rèn)為是可信的飛射物。

        有一種例外的情況是穩(wěn)壓器安全閥,由于穩(wěn)壓器安全閥位于穩(wěn)壓器伸出平臺(tái)區(qū)域,假定穩(wěn)壓器安全閥連接閥蓋與閥體的螺栓會(huì)損壞,閥蓋飛射物彈出會(huì)影響安全殼內(nèi)襯的完整性。因此,穩(wěn)壓器安全閥應(yīng)作為潛在的飛射物源,考慮防護(hù)設(shè)計(jì)。

        不同電廠所采用的穩(wěn)壓器安全閥種類不同,目前廣泛應(yīng)用的有彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥兩類,本文將對(duì)這兩類安全閥作為飛射物源的區(qū)別進(jìn)行對(duì)比分析。

        1 閥門飛射物特征參數(shù)計(jì)算方法

        1.1 流體力學(xué)限值

        根據(jù)伯努利方程,流體的位置勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能、動(dòng)能為一常量C。

        根據(jù)機(jī)械能守恒,假設(shè)破口瞬間,流體初始狀態(tài)靜止且位置不變,其壓強(qiáng)勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,此時(shí)為其流體速度的最大值,也是被該流體推動(dòng)的閥桿、閥蓋、溫度計(jì)速度的極限值,定義為vB。

        1.2 經(jīng)典力學(xué)限值

        已知飛射物源的質(zhì)量為m,破口表面積S,重力加速度g,管道絕對(duì)壓力P,環(huán)境壓力Pa,飛射物源與其飛射方向上的屏障距離為L(zhǎng)。假設(shè)破口瞬間的流體壓力持續(xù)不變地作用在飛射物源上,直至其撞擊到屏障,根據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué),此時(shí)的極限速度值定義為vN。

        實(shí)際計(jì)算時(shí),須比較vB和vN的大小,并取小值作為撞擊速度,此時(shí)仍具有很高的保守性,并能減少對(duì)速度的高估程度。

        出于保守性,流體力學(xué)限值計(jì)算時(shí),P可以取設(shè)計(jì)壓力,ρ可以取設(shè)計(jì)壓力下最高水溫對(duì)應(yīng)的最小密度。對(duì)于水中的硼酸濃度,濃度越高則密度增大,在不考慮少量硼酸對(duì)水物理性質(zhì)的影響下,可保守性地忽略硼酸對(duì)密度的影響。經(jīng)典力學(xué)計(jì)算時(shí),飛射方向可以取向下,與重力同向。

        2 穩(wěn)壓器安全閥飛射物計(jì)算

        2.1 彈簧式安全閥

        彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)圖如圖1。

        圖1 彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)圖

        圖2 彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)圖

        根據(jù)電廠設(shè)計(jì)要求:

        P=設(shè)計(jì)壓力17.23 MPa(a),

        Pa=大氣壓力0.1 MPa(a),

        設(shè)計(jì)溫度=360℃,

        計(jì)算得:

        ρ=560.15 kg/m3,

        彈簧式安全閥的飛射物按照除閥體和閥座以外的部分計(jì)算:

        飛射物質(zhì)量m=180 kg,

        S=0.02 m2,

        撞擊物為安全閥上方的鋼平臺(tái),閥門距離撞擊物的距離L=3.6 m,

        計(jì)算得:

        a=2 150.29 m/s2,

        綜上:

        vB=248.03 m/s,

        vN=124.42 m/s,

        v=124.42 m/s。

        2.2 先導(dǎo)式安全閥

        根據(jù)電廠設(shè)計(jì)要求:

        P=設(shè)計(jì)壓力17.23 MPa(a),

        Pa=大氣壓力0.1 MPa(a),

        設(shè)計(jì)溫度=360℃,

        計(jì)算得:

        ρ=560.15 kg/m3,

        先導(dǎo)式安全閥的飛射物按照閥蓋部分計(jì)算:

        飛射物質(zhì)量m=66.23 kg,

        S=0.009 3 m2,

        撞擊物為安全閥上方的鋼平臺(tái),閥門距離撞擊物的距離L=3.79 m,

        計(jì)算得:

        a=2 395.59 m/s2,

        綜上:

        vB=248.03 m/s,

        vN=134.72 m/s,

        v=134.72 m/s。

        3 穩(wěn)壓器安全閥飛射物防護(hù)

        由上文計(jì)算可知,彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥飛射物的撞擊速度相差不大,但由于兩類閥門的結(jié)構(gòu)特性存在較大差異,彈簧式安全閥飛射物的質(zhì)量比先導(dǎo)式安全閥飛射物的質(zhì)量大得多,導(dǎo)致撞擊沖量也大很多,因此,在對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行飛射物防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)特別注意安全閥的類別,對(duì)于彈簧式安全閥,應(yīng)采取措施加強(qiáng)防護(hù)。

        4 結(jié)論

        由于穩(wěn)壓器安全閥在核電廠中的特殊位置,應(yīng)將其作為潛在的飛射物源考慮防護(hù)設(shè)計(jì)。目前,廣泛應(yīng)用的彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥因其結(jié)構(gòu)不同應(yīng)分別考慮其作為飛射物源的危害。根據(jù)本文對(duì)比分析,在閥門飛射物速度相近的情況下,彈簧式安全閥飛射物的質(zhì)量較先導(dǎo)式安全閥飛射物大得多,導(dǎo)致撞擊沖量也大得多,因此,在對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行飛射物防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),相較于先導(dǎo)式安全閥,應(yīng)對(duì)于彈簧式安全閥采取措施加強(qiáng)防護(hù)。

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