核級升降式止回閥改進研究

祝太富，邱 磊，傅仁浦，秦博杰，史慶峰

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

長期以來，秦山第二核電廠（以下簡稱“秦二廠”）1#機組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)試報告以及試驗記錄，發(fā)現(xiàn)1RIS030MD的流量一直保持在3.2～3.4 m3/h，設(shè)計額定流量為4.1 m3/h，而RIS硼酸再循環(huán)回路的低流量報警值為3 m3/h，細微的流量波動將有可能導(dǎo)致報警觸發(fā)。結(jié)合外部經(jīng)驗反饋及閥門結(jié)構(gòu)分析，導(dǎo)致回路流量偏低的根本原因是現(xiàn)場止回閥流通能力不足，因此需對該結(jié)構(gòu)形式的閥門進行改進，以確保后續(xù)機組的安全穩(wěn)定運行。

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)流動而開啟、關(guān)閉閥瓣的閥門。止回閥屬于自動閥門，其主要作用為防止介質(zhì)倒流和泵及驅(qū)動電機反轉(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)置有兩個軸向泄壓孔及一個泄壓槽，兩個平衡孔通過匯集為一個泄壓孔與閥門上腔連通（圖1）。

止回閥的工作過程：介質(zhì)由進口流入時，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)停止流動或回流時，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，實現(xiàn)密封，當(dāng)流體介質(zhì)按規(guī)定方向流經(jīng)止回閥時，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，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，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閥芯向上移動。本文升降式止回閥，其閥瓣中設(shè)置有兩個泄壓孔，且兩個泄壓孔最終匯集為一個泄壓槽與上腔連通；該設(shè)計對介質(zhì)進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)流動穩(wěn)定性降低，增大閥門流阻系數(shù)；根據(jù)文獻[3]分析可知，更多的泄壓孔可使閥門性能更優(yōu)，產(chǎn)生負壓絕對值小，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)計院、閥門生產(chǎn)廠家進行探討，由閥門廠家重新設(shè)計并提供設(shè)計樣圖（圖2）。

圖2 改進后閥門

改進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，使介質(zhì)更易進入閥門上腔，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)特點對核級升降式止回閥提出改進建議。

（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。