李宏華

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

隨著科學技術和生產(chǎn)的發(fā)展，為滿足安全性、經(jīng)濟性的要求，相關系統(tǒng)對流量檢測的要求越來越高。首先是工況參數(shù)高，流量測量裝置需要適應高溫高壓、低溫低壓等不同工況，其中火電系統(tǒng)的運行參數(shù)甚至高達600 ℃、24 MPa，對流量測量裝置有著嚴苛的要求；其次是介質種類多樣，介質有除鹽水、蒸汽、循環(huán)水、酸堿液、廢水等，分別具備高低黏度、強弱腐蝕性等特性，節(jié)流裝置需要適應不同介質的要求；再次是檢測范圍大，隨著系統(tǒng)參數(shù)的提高，節(jié)流裝置檢測范圍也相應增大。本文介紹了節(jié)流裝置的原理、選型、優(yōu)化、制造階段存在的問題和解決方式。

1 節(jié)流裝置簡介

1.1 節(jié)流裝置類型

節(jié)流裝置可分為標準型和非標準型兩大類。所謂標準型是指按照標準文件進行設計、制造、安裝和使用，制造完成后具備可靠的精度，無需實流標定即可確定輸出信號與介質流量的關系，并可對照標準估算其測量誤差的節(jié)流裝置。目前國內(nèi)各節(jié)流裝置廠家基本是根據(jù)ISO 5167-1：2003、GBT 2624.3—2006等標準執(zhí)行，標準節(jié)流裝置具有標準化、使用壽命長和適用性廣等優(yōu)勢。

1.2 節(jié)流裝置原理

如圖1所示介質在管道內(nèi)流動的過程中，流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時，節(jié)流裝置收縮段將迫使介質流束沿著流動方向在喉部形成縮徑狀態(tài)，從而使介質在通過節(jié)流裝置后呈現(xiàn)出流速增大、靜水壓力相對降低的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象將會使節(jié)流裝置上游和下游之間產(chǎn)生壓降(壓差)。并且，介質的相對流量越大，節(jié)流裝置上下游所產(chǎn)生的壓差也會越大。因此，通過測量節(jié)流測量裝置前后的差壓，經(jīng)過計算可以得出流經(jīng)節(jié)流裝置流體的流量大小。

圖1 節(jié)流裝置流體變化示意圖Fig.1 The schematic of fluid change in the throttle device

示范快堆蒸汽發(fā)生器模塊水側出口流量采用的即為噴嘴節(jié)流裝置，介質流經(jīng)噴嘴時，在噴嘴收縮段形成局部收縮，使流速加快，靜壓力降低，通過配套差壓變送器對噴嘴前后壓降進行測量，從而測得出口的給水流量。

其中：

C——流出系數(shù)；

ε——膨脹系數(shù)；

ρ——密度；

d——節(jié)流件直徑；

β——直徑比(開孔比)；

ΔP——差壓。

2 節(jié)流裝置結構與選型

2.1 節(jié)流裝置結構

標準節(jié)流裝置主要由三部分組成，分別是節(jié)流部件、取壓部件和直管段。目前國際上通用的標準節(jié)流件主要有以下三種：標準孔板、噴嘴、文丘里管，其中標準孔板按照取壓方式的不同又可分為同角取壓、D-D/2取壓和法蘭取壓三種，噴嘴可分為ISA 1932噴嘴和長徑噴嘴兩種，文丘里管可分為文丘里噴嘴和經(jīng)典文丘里管兩種。

2.2 節(jié)流裝置選型

基于測量的準確度、壓力損失的大小、直管段長度、安裝便捷性等方面的考慮，標準節(jié)流裝置的選取原則可以歸納為以下幾點。

1)由于孔板前后都有大旋渦，這些旋渦的行程、運動和分裂，伴隨著摩擦力做工，從而產(chǎn)生較大的能量損失，因此孔板的壓力損失必然增大，文丘里和噴嘴的壓力損失值要小得多。對于壓力損失要求較高的系統(tǒng)，可優(yōu)先選擇噴嘴或文丘里管。

2)在相同的流量和差壓條件下，噴嘴的直徑比相較孔板要小，在這種情況下，噴嘴擁有較高的測量精度，而且噴嘴需要的直管段長度相較孔板也較短一些。

3)在加工制造和安裝方面，孔板最為簡單，噴嘴次之，文丘里管最為復雜。

4)在選型時，需要考慮對應參數(shù)條件下，成本核算。該噴嘴節(jié)流裝置系統(tǒng)壓力為14 MPa，根據(jù)《ANSI b16.36—2015孔板法蘭》需要使用2 500LB 20.32 cm的法蘭，該法蘭厚度已達12.7 cm，同時也需要配套對應壓力等級的緊固件和墊片，其費用不菲，且增加直管段與對應法蘭的焊接、法蘭在這么高壓力下的密封均是問題，故選用長徑噴嘴更合適。

5)需要特別說明的是，長徑噴嘴用于石油化工、電力等行業(yè)，比較適用于高溫高壓工況，如化工廠工藝管道、電廠主蒸汽、主給水等，長徑噴嘴節(jié)流裝置具有高精度、高量程范圍、壓損小、壽命長等優(yōu)點。

綜合考慮，示范快堆蒸汽發(fā)生器水側出口蒸汽流量設計上宜選用長徑噴嘴。依據(jù)《GB/T 2624.3—2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第3部分：噴嘴和文丘里噴嘴》5.2長徑噴嘴部分，0.25≤β≤0.8應采用高比值噴嘴，如圖2(a)所示，0.20≤β≤0.5采用低比值噴嘴如圖2(b)所示，根據(jù)節(jié)流裝置計算書，長徑噴嘴設計β值為0.72，故應采用高比值長徑噴嘴。

圖2 高低比值長徑噴嘴結構圖Fig.2 The structure of the long-radius nozzle throttle device

2.3 節(jié)流裝置取壓

圖3 長徑噴嘴節(jié)流裝置結構Fig.3 The structure of the standard nozzle throttle device1—直管段；2—取壓孔；3—取壓管座；4—銷釘；5—長徑噴嘴

3 示范快堆節(jié)流裝置的特點

3.1 材料特性

管道承受的作用力主要包括：管道內(nèi)介質壓力作用、管道自身重量、管道內(nèi)流體重量等，這些因素的變化均會引起附加荷重。管壁溫度與介質溫度相近，即管道是在產(chǎn)生蠕變的條件下工作的。此外，在啟停堆和調峰的工況下，管道還要額外承受負荷變化帶來的周期性的載荷和熱應力作用，故管道用鋼要滿足蠕變強度、持久強度的要求。

P91鋼是一種改進型馬氏體耐熱鋼，該材料具有良好的高溫熱強性和抗氧化性能。根據(jù)《管道系統(tǒng)用P91無縫鋼管技術條件》和DL/T 940—2005要求，利用等溫線外推法，計算500 ℃下10萬h的持久強度。該節(jié)流裝置用P91鋼管需要做高溫持久強度試驗，以1萬h的高溫持久強度作為強度設計的主要依據(jù)。

核電行業(yè)相較于火電行業(yè)，系統(tǒng)參數(shù)較低，火電機組的設計壓力可達24 MPa，蒸汽溫度可達560 ℃，而壓水堆則遠低于該參數(shù)。在原電力部電力規(guī)劃設計總院提出“關于我國火電廠主蒸汽管道采用P91鋼的建議”后，P91材質已經(jīng)較為廣泛的應用于亞臨界、超臨界、超超臨界火電機組主蒸汽管道，經(jīng)過近三十年的運行和檢修經(jīng)歷表明，P91鋼是一種成熟、穩(wěn)定、性能良好的主蒸汽管道、主給水管道用鋼。示范快堆蒸汽發(fā)生器模塊水側出口流量的節(jié)流裝置采用P91鋼，為國內(nèi)核電廠的首次應用，相比于核電廠較常用的WB36CN1、A106B碳鋼、P280GH鋼管，P91鋼更適用于高溫高壓工況。不同鋼材成分與性能見表1，P91鋼管力學性能見表2。

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表1 不同鋼材成分與性能Table 1 Composition and properties of different steel materials

表2 快堆P91鋼管力學性能Table 2 Mechanical properties of P91 steel pipe forthe fast reactor

表3 D級使用限制下長徑噴嘴最大主應力和各限制級下長徑噴嘴應力結果及評定Table 3 Results and evaluation of the maximum principal stress of the long-radius nozzle， and the stress of the long-radius nozzle under each limit stage

3.2 設計優(yōu)化

常規(guī)的噴嘴節(jié)流裝置一般為三段管段拼接而成，前后為直管段，中間用于安裝噴嘴，因為中間管段長度較短，便于制造廠進行機加工和焊接。但是中間管段固定噴嘴用的固定擋塊需要塞入管道然后與管道內(nèi)壁焊接(角焊縫)，由于焊接位置深入在管道內(nèi)壁，角焊縫只可以做滲透檢測(PT)和焊接質量檢測，而無法進行射線檢驗(RT)，焊縫質量無法保證。

示范快堆蒸汽發(fā)生器水側出口流量噴嘴節(jié)流裝置在實踐過程中按照提高安全性、經(jīng)濟性的原則，采用一體化設計，將節(jié)流裝置直管段設計為整根鍛件，而不用常規(guī)拼接的方式，從而減少前后直管段與中間管段之間的兩條環(huán)焊縫和法蘭鍛件。通過加工厚壁管，在直管段內(nèi)部車出凸環(huán)，使固定擋塊(插銷)與管道為一體結構，擋塊(插銷)在管道外部進行堆焊，保證了長徑噴嘴整體的結構強度。增加了接管座，預留了承插口與現(xiàn)場儀表管焊接。接管座使用與P91鋼管道相匹配的F91鍛件材料制造，由于噴嘴設備測量介質為高溫高壓蒸汽，在P91鋼管道上直接開沉孔與儀表管(壁厚較薄)承插焊接風險較大，采用焊接接管座過渡。根據(jù)有限元計算，在考慮自重、內(nèi)壓、地震載荷和接管載荷作用下，該D-D/2徑距取壓長徑噴嘴在所承受載荷條件下，管道、長徑噴嘴均能滿足ASME規(guī)范的相關強度要求，如圖4所示。

圖4 長徑噴嘴節(jié)流裝置結構Fig.4 The structure of the long-radius nozzle throttle device

3.3 加工過程與難點

示范快堆蒸汽發(fā)生器水側出口流量所用噴嘴節(jié)流裝置整體管段設計總長為3 000 mm，實際加工時考慮到后續(xù)標定水壓用法蘭焊接與切除、現(xiàn)場工藝管道實際尺寸與圖紙偏差所需余量，噴嘴節(jié)流裝置整體加工長度約3 100 mm。鋼管毛坯橫截面尺寸為φ219.1 mm×27 mm，相較與設計的φ219.1 mm×22.23 mm，管道壁厚余量大，故該節(jié)流裝置整體加工量較大，管坯尺寸如圖5所示。

圖5 管坯尺寸Fig.5 The size of tube billet

該節(jié)流裝置結構上需要加工噴嘴部件在管道內(nèi)固定用的內(nèi)環(huán)(詳見圖3)，在該節(jié)流裝置制造過程中發(fā)現(xiàn)有兩個問題，一是加工效率低，因為P91鋼硬度較高，制造廠在使用普通機床進行車削加工時，鐵削較難斷裂排出，車刀的切削量較少，導致加工效率低。二是加工風險大，該噴嘴節(jié)流裝置直管段為整根鍛件，原設計工序為整根鍛件利用普通機床內(nèi)膛成型，因鍛件自鍛造廠出廠時內(nèi)孔較小，在該設計工序下，車刀深入管道所用的工裝導桿直徑受限，工裝導桿直徑不足導致其強度不足。刀具徑向切削力是總切削力在徑向的分力，是影響工件加工質量的主要分力，刀具震動量過大將導致鍛件加工過程中出現(xiàn)過切，嚴重時將損壞鍛件、刀具，造成加工鍛件表面出現(xiàn)不可逆的損傷。在該鍛件機械加工過程中，隨著車床轉速的上升，刀具所承受的徑向切削力逐漸增大，受工裝導桿強度不足的影響，刀具徑向切削力加劇其徑向跳動，工裝導桿及刀具出現(xiàn)振動量過大的情況，考慮到繼續(xù)按照該工序進行加工，鍛件有受損的可能，同時，因噴嘴需要深入管道(約2 100 mm)安裝，噴嘴的外徑與管道內(nèi)徑需嚴格按照公差制造，加工誤差可能會引起噴嘴無法裝入。

后續(xù)在實踐中，通過優(yōu)化加工工藝，采用推膛與精車相結合的方式解決該問題。新工序主要分為三步，第一步為管坯粗加工，對管坯進行前后推膛，通過膛推的方式以最快速度完成粗車，內(nèi)管直徑加工至173.5 mm，前后管內(nèi)深度分別為2 150.0 mm和910.0 mm，在內(nèi)部形成一個φ165.1 mm×40 mm的環(huán)狀部位，至此完成粗加工工序，如圖6所示。

圖6 粗加工后管坯尺寸Fig.6 Dimension ofthe tube billet after roughing

第二步為管坯內(nèi)徑二次加工，使用磨床對已經(jīng)加工至φ173.5 mm的管道坯進行再次加工，將其前后內(nèi)徑打磨至φ174.64 mm，內(nèi)部環(huán)狀部分保持不變，如圖7所示。

圖7 推磨后管坯尺寸Fig.7 Dimension ofthe tube billet after push grinding

第三步使用普通車床進行精車，利用普通車床對管坯內(nèi)部環(huán)狀部分進行加工，使其內(nèi)徑為164.5 mm，寬度保持40 mm不變，至此該節(jié)流裝置管體主要的加工工作已經(jīng)完成，后續(xù)完成取壓孔開孔、取壓管座焊接、噴嘴定位、噴嘴與管體焊接及噴嘴定位銷堆焊即完成整體加工。

3.4 關鍵工序執(zhí)行標準

4 優(yōu)缺點分析

4.1 取得效果

(1)提高了安全性

一體式長徑噴嘴節(jié)流裝置外部為完整的管道結構，沒有額外的拼接焊縫。直管段出廠時已完成過水壓，節(jié)流裝置出廠時再次對整套長徑噴嘴節(jié)流裝置按照要求完成水壓試驗，確保整體耐壓性能可靠。長徑噴嘴節(jié)流裝置前后直管道為整根鍛棒膛制而成，相比于焊縫結構，前后直管段內(nèi)孔光滑度、同心度更高，有利于產(chǎn)品精度，經(jīng)過實流標定其示值誤差為0.33%～0.50%精度較高。一體式長徑噴嘴沒有法蘭，不需要使用緊固件和墊片，綜上一體式長徑噴嘴安全性更高。

(2)提高了經(jīng)濟性

長徑噴嘴相較標準噴嘴，首先取消了前后管道焊縫及固定擋塊焊縫，大大降低了焊接成本，從而降低了設備制造成本。經(jīng)過了解，廠家詢價時該節(jié)流裝置環(huán)焊縫的報價，僅一套節(jié)流裝置可降低成本約4萬元，示范快堆蒸汽發(fā)生器出口流量有16套該型節(jié)流裝置，預計可節(jié)省費用64萬元。

其次長徑噴嘴不需要法蘭鍛件、法蘭用緊固件、墊片等部件，該項目廠家詢價時2500LB 8英寸的法蘭1.2萬元/個，若使用標準噴嘴，這部分費用約2.5萬元/套，該型節(jié)流裝置預計節(jié)省費用40萬元。綜上，采用一體式長徑噴嘴，可節(jié)省費用約104萬元。

4.2 存在問題

一體式長徑節(jié)流裝置與標準噴嘴相比，結構上因為一體式，不像法蘭可以拆卸，因此檢修維護不方便，一旦出現(xiàn)問題，需要將整段節(jié)流裝置切割下來方能檢查。但節(jié)流裝置屬于成熟的產(chǎn)品，其正常運行期間一般不需要另行標定。

5 結束語

一體化噴嘴節(jié)流裝置在蒸汽發(fā)生器水側出口流量側點上的使用，可以節(jié)省鍛件用料、減少環(huán)焊縫數(shù)量，有助于提高節(jié)流裝置的安全性和經(jīng)濟性，對后續(xù)其他系統(tǒng)流量測量裝置的優(yōu)化有一定的借鑒意義。