一體式長徑噴嘴節(jié)流裝置設(shè)計(jì)與制造的探討

李宏華

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，為滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求，相關(guān)系統(tǒng)對(duì)流量檢測(cè)的要求越來越高。首先是工況參數(shù)高，流量測(cè)量裝置需要適應(yīng)高溫高壓、低溫低壓等不同工況，其中火電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)甚至高達(dá)600 ℃、24 MPa，對(duì)流量測(cè)量裝置有著嚴(yán)苛的要求；其次是介質(zhì)種類多樣，介質(zhì)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(qiáng)弱腐蝕性等特性，節(jié)流裝置需要適應(yīng)不同介質(zhì)的要求；再次是檢測(cè)范圍大，隨著系統(tǒng)參數(shù)的提高，節(jié)流裝置檢測(cè)范圍也相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)型是指按照標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用，制造完成后具備可靠的精度，無需實(shí)流標(biāo)定即可確定輸出信號(hào)與介質(zhì)流量的關(guān)系，并可對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)估算其測(cè)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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置具有標(biāo)準(zhǔn)化、使用壽命長和適用性廣等優(yōu)勢(shì)。

1.2 節(jié)流裝置原理

如圖1所示介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)的過程中，流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，節(jié)流裝置收縮段將迫使介質(zhì)流束沿著流動(dòng)方向在喉部形成縮徑狀態(tài)，從而使介質(zhì)在通過節(jié)流裝置后呈現(xiàn)出流速增大、靜水壓力相對(duì)降低的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象將會(huì)使節(jié)流裝置上游和下游之間產(chǎn)生壓降(壓差)。并且，介質(zhì)的相對(duì)流量越大，節(jié)流裝置上下游所產(chǎn)生的壓差也會(huì)越大。因此，通過測(cè)量節(jié)流測(cè)量裝置前后的差壓，經(jīng)過計(jì)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(cè)出口流量采用的即為噴嘴節(jié)流裝置，介質(zhì)流經(jīng)噴嘴時(shí)，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(duì)噴嘴前后壓降進(jìn)行測(cè)量，從而測(cè)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(jié)構(gòu)與選型

2.1 節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件主要有以下三種：標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘里管，其中標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量的準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的選取原則可以歸納為以下幾點(diǎn)。

1)由于孔板前后都有大旋渦，這些旋渦的行程、運(yùn)動(dòng)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(duì)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(cè)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(fù)雜。

4)在選型時(shí)，需要考慮對(duì)應(yīng)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(dá)12.7 cm，同時(shí)也需要配套對(duì)應(yīng)壓力等級(jí)的緊固件和墊片，其費(fèi)用不菲，且增加直管段與對(duì)應(yīng)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(diǎn)。

綜合考慮，示范快堆蒸汽發(fā)生器水側(cè)出口蒸汽流量設(shè)計(jì)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(cè)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(yīng)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(jì)算書，長徑噴嘴設(shè)計(jì)β值為0.72，故應(yīng)采用高比值長徑噴嘴。

圖2 高低比值長徑噴嘴結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diǎn)

3.1 材料特性

管道承受的作用力主要包括：管道內(nèi)介質(zhì)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(huì)引起附加荷重。管壁溫度與介質(zhì)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(diào)峰的工況下，管道還要額外承受負(fù)荷變化帶來的周期性的載荷和熱應(yīng)力作用，故管道用鋼要滿足蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度的要求。

P91鋼是一種改進(jìn)型馬氏體耐熱鋼，該材料具有良好的高溫?zé)釓?qiáng)性和抗氧化性能。根據(jù)《管道系統(tǒng)用P91無縫鋼管技術(shù)條件》和DL/T 940—2005要求，利用等溫線外推法，計(jì)算500 ℃下10萬h的持久強(qiáng)度。該節(jié)流裝置用P91鋼管需要做高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，以1萬h的高溫持久強(qiáng)度作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jī)組的設(shè)計(jì)壓力可達(dá)24 MPa，蒸汽溫度可達(dá)560 ℃，而壓水堆則遠(yuǎn)低于該參數(shù)。在原電力部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院提出“關(guān)于我國火電廠主蒸汽管道采用P91鋼的建議”后，P91材質(zhì)已經(jīng)較為廣泛的應(yīng)用于亞臨界、超臨界、超超臨界火電機(jī)組主蒸汽管道，經(jīng)過近三十年的運(yùn)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(cè)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(yīng)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(xué)性能見表2。

明前茶的味道其實(shí)很寡淡。茶葉在沸水澆灌的瞬間向四周旋開，跌跌撞撞地?cái)D滿透明的玻璃杯，葉片翠嫩，上下彈跳，像一場(chǎng)青黃不接的愛情。

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(xué)性能Table 2 Mechanical properties of P91 steel pipe forthe fast reactor

表3 D級(jí)使用限制下長徑噴嘴最大主應(yīng)力和各限制級(jí)下長徑噴嘴應(yīng)力結(jié)果及評(píng)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(shè)計(jì)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?yàn)橹虚g管段長度較短，便于制造廠進(jìn)行機(jī)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(cè)(PT)和焊接質(zhì)量檢測(cè)，而無法進(jìn)行射線檢驗(yàn)(RT)，焊縫質(zhì)量無法保證。

示范快堆蒸汽發(fā)生器水側(cè)出口流量噴嘴節(jié)流裝置在實(shí)踐過程中按照提高安全性、經(jīng)濟(jì)性的原則，采用一體化設(shè)計(jì)，將節(jié)流裝置直管段設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，擋塊(插銷)在管道外部進(jìn)行堆焊，保證了長徑噴嘴整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。增加了接管座，預(yù)留了承插口與現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備測(cè)量介質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)較大，采用焊接接管座過渡。根據(jù)有限元計(jì)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(guān)強(qiáng)度要求，如圖4所示。

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

3.3 加工過程與難點(diǎn)

示范快堆蒸汽發(fā)生器水側(cè)出口流量所用噴嘴節(jié)流裝置整體管段設(shè)計(jì)總長為3 000 mm，實(shí)際加工時(shí)考慮到后續(xù)標(biāo)定水壓用法蘭焊接與切除、現(xiàn)場(chǎng)工藝管道實(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(gè)問題，一是加工效率低，因?yàn)镻91鋼硬度較高，制造廠在使用普通機(jī)床進(jìn)行車削加工時(shí)，鐵削較難斷裂排出，車刀的切削量較少，導(dǎo)致加工效率低。二是加工風(fēng)險(xiǎn)大，該噴嘴節(jié)流裝置直管段為整根鍛件，原設(shè)計(jì)工序?yàn)檎懠闷胀C(jī)床內(nèi)膛成型，因鍛件自鍛造廠出廠時(shí)內(nèi)孔較小，在該設(shè)計(jì)工序下，車刀深入管道所用的工裝導(dǎo)桿直徑受限，工裝導(dǎo)桿直徑不足導(dǎo)致其強(qiáng)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(zhì)量的主要分力，刀具震動(dòng)量過大將導(dǎo)致鍛件加工過程中出現(xiàn)過切，嚴(yán)重時(shí)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(jī)械加工過程中，隨著車床轉(zhuǎn)速的上升，刀具所承受的徑向切削力逐漸增大，受工裝導(dǎo)桿強(qiáng)度不足的影響，刀具徑向切削力加劇其徑向跳動(dòng)，工裝導(dǎo)桿及刀具出現(xiàn)振動(dòng)量過大的情況，考慮到繼續(xù)按照該工序進(jìn)行加工，鍛件有受損的可能，同時(shí)，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(yán)格按照公差制造，加工誤差可能會(huì)引起噴嘴無法裝入。

后續(xù)在實(shí)踐中，通過優(yōu)化加工工藝，采用推膛與精車相結(jié)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(duì)管坯進(jìn)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(gè)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(duì)已經(jīng)加工至φ173.5 mm的管道坯進(jìn)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(jìn)行精車，利用普通車床對(duì)管坯內(nèi)部環(huán)狀部分進(jìn)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(guān)鍵工序執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

4 優(yōu)缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)，沒有額外的拼接焊縫。直管段出廠時(shí)已完成過水壓，節(jié)流裝置出廠時(shí)再次對(duì)整套長徑噴嘴節(jié)流裝置按照要求完成水壓試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)，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(shí)流標(biāo)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(jì)性

長徑噴嘴相較標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備制造成本。經(jīng)過了解，廠家詢價(jià)時(shí)該節(jié)流裝置環(huán)焊縫的報(bào)價(jià)，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(yù)計(jì)可節(jié)省費(fèi)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(xiàng)目廠家詢價(jià)時(shí)2500LB 8英寸的法蘭1.2萬元/個(gè)，若使用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，這部分費(fèi)用約2.5萬元/套，該型節(jié)流裝置預(yù)計(jì)節(jié)省費(fèi)用40萬元。綜上，采用一體式長徑噴嘴，可節(jié)省費(fèi)用約104萬元。

4.2 存在問題

一體式長徑節(jié)流裝置與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴相比，結(jié)構(gòu)上因?yàn)橐惑w式，不像法蘭可以拆卸，因此檢修維護(hù)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(yùn)行期間一般不需要另行標(biāo)定。

5 結(jié)束語

一體化噴嘴節(jié)流裝置在蒸汽發(fā)生器水側(cè)出口流量側(cè)點(diǎn)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(jì)性，對(duì)后續(xù)其他系統(tǒng)流量測(cè)量裝置的優(yōu)化有一定的借鑒意義。