介紹了核電廠核級(jí)升降式止回閥的結(jié)構(gòu)，分析了導(dǎo)致CV 值偏小和不穩(wěn)定的原因。對(duì)閥門原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的閥門進(jìn)行了流量試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、概述

　　在核電安全注入系統(tǒng)( RIS) 中，核級(jí)小口徑升降式止回閥( 以下簡(jiǎn)稱止回閥) 是一種使用較為廣泛的閥門，用來(lái)防止介質(zhì)倒流。在核電廠供貨的止回閥中有部分出現(xiàn)了CV值嚴(yán)重偏低的問(wèn)題，并伴隨振動(dòng)和噪聲的異常現(xiàn)象，解體檢查發(fā)現(xiàn)閥門存在閥瓣未能完全開啟甚至卡塞的現(xiàn)象。止回閥是指依靠介質(zhì)本身流動(dòng)而自動(dòng)開、閉閥瓣的閥門。閥門的CV值是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，CV值越大說(shuō)明流體流過(guò)閥門時(shí)的壓力損失越小。因閥門CV值偏低，能導(dǎo)致系統(tǒng)流動(dòng)阻力大，影響泵的性能，使系統(tǒng)再循環(huán)流量不能滿足核電廠系統(tǒng)要求，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)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(dǎo)向，沿著中心線上下滑動(dòng)。當(dāng)介質(zhì)順流時(shí)，閥瓣靠介質(zhì)推力開啟。當(dāng)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(xiàn)逆流現(xiàn)象( 圖1) 。

(a) 閥瓣由閥體導(dǎo)向(b) 閥瓣由閥蓋導(dǎo)向

圖1 升降式止回閥

2.2、流量試驗(yàn)

　　對(duì)核電廠現(xiàn)場(chǎng)使用的DN50-Class1500止回閥(圖1a)按流量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5296-1991的要求進(jìn)行了流量系數(shù)CV值試驗(yàn)得出一組數(shù)據(jù)(表1)。

　　流量系數(shù)CV值為

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

　　△p———測(cè)量裝置測(cè)得的總壓差，kPa

　　ρ———流體密度(ρ=1)，kg/cm3

表1 止回閥流量系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(DN50-Class1500)

　　經(jīng)過(guò)流量試驗(yàn)表明，閥門的平均流量系數(shù)CV值與系統(tǒng)運(yùn)行要求的數(shù)據(jù)比較有很大的差距。閥門流量試驗(yàn)后，解體發(fā)現(xiàn)閥瓣有卡塞現(xiàn)象，修復(fù)后重新試驗(yàn)其結(jié)果仍然達(dá)不到要求，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改進(jìn)。

2.3、結(jié)構(gòu)性能

　　(1)閥瓣深入閥蓋尺寸偏小

　　根據(jù)實(shí)測(cè)，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(dǎo)致閥瓣深入閥蓋的尺寸不足，在體、蓋內(nèi)孔尺寸控制不嚴(yán)格的情況下，可能導(dǎo)致閥瓣運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象(圖1a)。

　　(2)閥體中腔導(dǎo)向長(zhǎng)度不足

　　閥瓣導(dǎo)向直徑D=60mm，導(dǎo)向長(zhǎng)度L=47mm，L/D=0.78，與一般經(jīng)驗(yàn)值L/D=1.2的要求相差很大。同時(shí)，由于閥門出口流道位于中腔導(dǎo)向面，對(duì)導(dǎo)向產(chǎn)生不利影響，所以這種導(dǎo)向設(shè)計(jì)不合理。

　　(3)閥體、閥瓣和閥蓋運(yùn)動(dòng)副配合間隙不合理

　　閥門解體后測(cè)量的閥體中腔、閥瓣直徑D與其對(duì)應(yīng)的CV值數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。為進(jìn)一步驗(yàn)證配合間隙和CV值的關(guān)系，用DN50-Class150(其結(jié)構(gòu)與圖1a同)止回閥進(jìn)行流量系數(shù)試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 DN50-Class1500止回閥解體測(cè)量的D值與其對(duì)應(yīng)的CV值

表3 DN50-Class150止回閥測(cè)量的D值與其對(duì)應(yīng)CV值

　　(4)閥門內(nèi)表面粗糙度Ra值的影響

　　介質(zhì)在閥門內(nèi)部流動(dòng)與閥門內(nèi)腔產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失，閥門內(nèi)腔越粗糙，介質(zhì)的流量系數(shù)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狀態(tài)下閥體與閥瓣接觸長(zhǎng)度約為導(dǎo)向長(zhǎng)度的1/2。閥門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(qū)域，當(dāng)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)隨著介質(zhì)轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，增大了閥門紊流區(qū)域，所以閥門壓力損失增大。反之，配合間隙小時(shí)，閥體對(duì)閥瓣有較好的控制，閥瓣隨介質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)的程度降低，減小對(duì)介質(zhì)流動(dòng)的影響(圖3)。通過(guò)分析和試驗(yàn)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(dǎo)向止回閥的流場(chǎng)分析

圖3 改進(jìn)后閥蓋導(dǎo)向止回閥的流場(chǎng)分析

3、改進(jìn)

　　針對(duì)上述分析的幾個(gè)方面的原因，對(duì)止回閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)( 圖1b) 。

　　(1) 擴(kuò)大閥體中腔

　　閥瓣以閥蓋內(nèi)孔作為導(dǎo)向面，該結(jié)構(gòu)減輕了閥瓣自重，使閥瓣導(dǎo)向長(zhǎng)度L 與閥蓋導(dǎo)向孔直徑D'的比值L /D'在1. 2 ～ 1. 5 之間。減小閥瓣開啟高度，閥瓣在完全開啟狀態(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。閥門結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 DN50 - Class1 500 止回閥改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比

　　(2) 控制閥瓣導(dǎo)向配合間隙在滿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) 提高閥門內(nèi)腔光潔度閥門內(nèi)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(yàn)

　　對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的止回閥，重新進(jìn)行了流量系數(shù)試驗(yàn)得出下列一組數(shù)據(jù)( 表5) 。

表5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的DN50 - Class1 500止回閥流量系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5、結(jié)語(yǔ)

　　止回閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，其CV值試驗(yàn)結(jié)果有了大幅提高。另外，應(yīng)控制閥蓋導(dǎo)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(dǎo)向件之間配合面的同軸度、同柱度等形位公差控制要求，使其在滿足溫度變化要求的前提下，盡量減小配合間隙，以保證閥門CV值的穩(wěn)定。對(duì)止回閥流量系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析的過(guò)程和結(jié)論，為閥門的設(shè)計(jì)、制造以及系列化和軟件模擬計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。