在役核電廠測(cè)溫旁路閥門(mén)阻力特性數(shù)值模擬分析

張文其+曹思民+葉竹+沈云海+王保平

【摘 要】根據(jù)國(guó)內(nèi)在役核電廠運(yùn)行反饋，主系統(tǒng)測(cè)溫旁路安全1級(jí)手動(dòng)截止閥的閥體閥蓋若采用分體式鍛造，則閥體與閥蓋連接處的唇邊焊會(huì)發(fā)生泄漏或存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，因此需選用閥體閥蓋一體化鑄造的截止閥進(jìn)行替代。為了判斷一體化鑄造閥門(mén)的阻力特性能否滿足系統(tǒng)的阻力要求，使用CFD軟件CFX對(duì)一體化閥門(mén)的流阻特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析所采用替換閥門(mén)對(duì)測(cè)溫旁路系統(tǒng)流阻要求的適應(yīng)性。分析結(jié)果表示一體化閥門(mén)的流阻特性能滿足測(cè)溫旁路系統(tǒng)要求。

【關(guān)鍵詞】測(cè)溫旁路；閥門(mén)；數(shù)值模擬；流阻特性

中圖分類(lèi)號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）23-0086-002

【Abstract】Split forging technology is applied in the manufacture of the globe valve used in the bypass temperature measurement of the reactor coolant system（RCS）in some nuclear power plants.This technology，however，leads to the leakage risk at the lips weld on the connecting point between the deck and body of the valve.Thus，using the integrated-casting valve instead is necessary and moreover，this type of valve should satisfy the requirement of flow resistance characteristic.This work focuses on the analysis for the flow resistance characteristic of the integrated-casting valve based on the numerical CFX simulation.The result shows that the requirement of the flow resistance characteristic of this valve type can be satisfied for the bypass temperature measurement.

【Key words】Resistance temperature detector by pass manifold system；Valves；Numerical simulation；Flow resistance characteristics

0 引言

國(guó)內(nèi)近幾年完成建造并投入商運(yùn)的在役核電廠，其反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)主系統(tǒng)）測(cè)溫旁路的數(shù)十臺(tái)安全1級(jí)手動(dòng)截止閥（測(cè)溫旁路示意圖見(jiàn)圖1）的結(jié)構(gòu)均為閥體和閥蓋采用螺紋連接。經(jīng)福清1、2號(hào)核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，該類(lèi)型的多臺(tái)手動(dòng)截止閥在熱試階段均出現(xiàn)了唇邊焊失效的情況，從而導(dǎo)致了冷卻劑在該處的泄漏，且經(jīng)打磨補(bǔ)焊等缺陷處理后，少量閥門(mén)仍存在唇邊焊再次失效泄漏現(xiàn)象。

主系統(tǒng)測(cè)溫旁路的安全1級(jí)手動(dòng)截止閥作為一回路承壓邊界，若在機(jī)組運(yùn)行期間發(fā)生不可控的唇邊焊泄漏，可能帶來(lái)一回路不可識(shí)別泄漏率超標(biāo)及測(cè)溫旁路不可用導(dǎo)致的核安全風(fēng)險(xiǎn)，影響核電廠的安全性與經(jīng)濟(jì)性。為避免該類(lèi)閥門(mén)運(yùn)行期間唇邊焊泄漏，提高機(jī)組的可靠性和安全穩(wěn)定性，根據(jù)核電廠要求，對(duì)此類(lèi)型手動(dòng)截止閥進(jìn)行替代。

新的截止閥需滿足在役核電廠主系統(tǒng)測(cè)溫旁路安全1級(jí)手動(dòng)截止閥的特性要求外，還需滿足測(cè)溫旁路系統(tǒng)的流阻要求。因此本文將通過(guò)使用CFD建模分析研究，分析所采用替換閥門(mén)對(duì)測(cè)溫旁路系統(tǒng)流阻要求的適應(yīng)性。

1 替代閥門(mén)特性要求

在役核電廠主系統(tǒng)測(cè)溫旁路安全1級(jí)手動(dòng)截止閥的設(shè)備選型原則如下：

1）新閥門(mén)滿足設(shè)備規(guī)格書(shū)中的技術(shù)指標(biāo)要求，以便滿足主系統(tǒng)安全性與功能性要求；

2）新閥門(mén)應(yīng)在結(jié)構(gòu)上避免唇邊焊泄漏問(wèn)題，且有良好的運(yùn)行反饋。

3）新閥門(mén)的流動(dòng)阻力足夠低，以便滿足主回路測(cè)溫旁路中冷卻劑傳輸時(shí)間的要求；

4）新閥門(mén)的尺寸、重量、重心應(yīng)與原閥門(mén)相似，確保滿足安裝空間以及力學(xué)評(píng)價(jià)要求。

根據(jù)閥門(mén)選型調(diào)研，法國(guó)VELAN生產(chǎn)的RAMA手動(dòng)截止閥能夠滿足主系統(tǒng)測(cè)溫旁路手動(dòng)截止閥閥體閥蓋采用一體化鍛造，不需要唇焊以及尺寸、重量、重心應(yīng)與原閥門(mén)相似的要求。

2 閥門(mén)流阻分析

測(cè)溫旁路上手動(dòng)截止閥作為主要的局部阻力，其阻力系數(shù)在設(shè)備規(guī)格書(shū)中明確進(jìn)行了規(guī)定。主系統(tǒng)測(cè)溫旁路閥門(mén)實(shí)施替換后，新閥門(mén)的阻力系數(shù)仍應(yīng)滿足設(shè)備規(guī)格書(shū)中的相關(guān)要求。

2.1 控制方程

2.2 幾何模型

RAMA手動(dòng)截止閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，正常情況下閥門(mén)的閥芯與閥座分離，閥門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)。因此幾何建模對(duì)象為閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下閥門(mén)內(nèi)部流道。本次選用利用商業(yè)建模軟件UG對(duì)RAMA手動(dòng)截止閥全開(kāi)后閥門(mén)內(nèi)部流道進(jìn)行三維建模。

截止閥入口及出口內(nèi)徑均為40mm。閥門(mén)全開(kāi)后閥芯頂部距離閥座13.39mm。閥門(mén)的其他參數(shù)如圖2所示，圖中閥門(mén)的各尺寸單位為mm。

2.3 網(wǎng)格劃分

利用網(wǎng)格劃分軟件ICEM對(duì)流體通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為139925。

2.4 邊界條件

將網(wǎng)格導(dǎo)入商業(yè)流體計(jì)算軟件CFX進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，閥門(mén)入口壓力為15.5MPa，出口流速為25m/s，管壁粗糙度為6.3μm。

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果

閥門(mén)內(nèi)流場(chǎng)分布如下圖所示，由圖可知閥門(mén)內(nèi)流場(chǎng)分布不均，且部分區(qū)域存在渦旋現(xiàn)象。在進(jìn)行閥門(mén)流阻計(jì)算時(shí)，閥門(mén)出口處的壓力為平均壓力。經(jīng)測(cè)量，閥門(mén)出口處的平均壓力為14.6MPa。

3 結(jié)果與討論

4 結(jié)論

主系統(tǒng)測(cè)溫旁路的手動(dòng)截止閥作為一回路承壓邊界，若在機(jī)組運(yùn)行期間發(fā)生不可控的唇邊焊泄漏，可能帶來(lái)一回路不可識(shí)別泄漏率。為避免該類(lèi)閥門(mén)運(yùn)行期間唇邊焊泄漏，核電廠采用VELAN生產(chǎn)的RAMA手動(dòng)一體式截止閥取代了分體式閥門(mén)。然后，為了確定一體式閥門(mén)的阻力特性，利用CFD方法對(duì)閥門(mén)的阻力特性進(jìn)行了分析。經(jīng)分析確認(rèn)，新閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度L/D為282.3，測(cè)溫旁路系統(tǒng)閥門(mén)L/D？燮340的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]福清1號(hào)機(jī)組測(cè)溫旁路閥門(mén)改造研究[J].科技視界，2016，13：1-2.

[2]數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.endprint