穩(wěn)壓器噴淋閥碟簧受力分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

許家祥,方 力,管桉琦,錢錦遠(yuǎn)*

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310027;2.秦山核電有限公司,浙江 嘉興 314300)

0 引 言

穩(wěn)壓器噴淋閥是調(diào)節(jié)壓水堆核電站一回路內(nèi)壓力的首要設(shè)備,具有非常重要的作用。

穩(wěn)壓器噴淋閥位于穩(wěn)壓器噴淋系統(tǒng),其進(jìn)口與反應(yīng)堆冷段相連,出口與穩(wěn)壓器相連[1]。其主要功能是通過調(diào)節(jié)注入穩(wěn)壓器上部蒸汽空間的一回路冷段水的流量,以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器上部蒸汽空間的冷凝量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的壓力控制。作為調(diào)節(jié)壓水堆核電站一回路內(nèi)壓力的首要設(shè)備,穩(wěn)壓器噴淋閥的重要性可見一斑,其性能可靠性值得重視[2]。

V形球閥式穩(wěn)壓器噴淋閥憑借其流阻小、流通能力大的優(yōu)點(diǎn),以及其近似等百分比流量特性曲線,在國產(chǎn)第三代大型先進(jìn)壓水堆核電站中應(yīng)用最為廣泛[3]。

在V形球閥式穩(wěn)壓器噴淋閥中,碟簧安裝于閥體與閥座之間,使閥座實(shí)現(xiàn)“浮動”設(shè)計。其目的是利用閥座的軸向浮動來彌補(bǔ)制造加工過程中的誤差累積;同時,設(shè)置有一定預(yù)緊力的碟簧可以為閥座與閥芯提供密封力,防止閥門出現(xiàn)內(nèi)漏。因此,碟簧的性能可靠性對穩(wěn)壓器噴淋閥的安全運(yùn)行有重要影響。

目前,某核電站穩(wěn)壓器噴淋閥運(yùn)行存在流體流動不穩(wěn)定等情況,主要表現(xiàn)為:在小開度下,實(shí)際流量異常波動并增大;檢修后發(fā)現(xiàn),其密封環(huán)斷裂、碟簧斷裂。筆者判斷原因可能為:密封失效情況下,碟簧兩側(cè)受到不同大小的流體力作用,導(dǎo)致碟簧被擠壓并進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動,最終失效斷裂。因此,有必要對穩(wěn)壓器噴淋閥小開度下的碟簧受力進(jìn)行研究。

對于穩(wěn)壓器噴淋閥的研究主要集中在流量特性研究上。

楊佳明等人[4]采用數(shù)值模擬與理論計算的方法,分析了穩(wěn)壓器噴淋閥的流量特性,并研究了流量系數(shù)與流通面積的關(guān)系。VALDéS J R等人[5]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了V型球閥的雷諾數(shù)與空化數(shù)、流量系數(shù)的關(guān)系。TAO Jun-yu等人[6]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,研究了V型球閥的流動特性,并擬合了流量系數(shù)與開度、V形切口角度的關(guān)系式。馬傳京[7]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法,研究了閥芯的錐角以及弧度形狀對V型球閥流動性能及流阻的影響,并得到了流阻較小的V型球閥。王宗永等人[8]結(jié)合試驗(yàn)與仿真的方法,對閥門的流量特性進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),小尺寸閥芯形面的微小變化會對閥門的流量特性產(chǎn)生較大的影響。

對于穩(wěn)壓器噴淋閥運(yùn)行過程中的失效研究則主要集中在調(diào)節(jié)失效與密封泄露方面。

張翔[9]論述了穩(wěn)壓器噴淋閥連續(xù)噴淋流量的調(diào)節(jié)方法,并針對穩(wěn)定時間不足、初始閥門開度預(yù)設(shè)較大等問題,分別提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。涂一等人[10]根據(jù)填料計算式,經(jīng)分析得出了穩(wěn)壓器噴淋閥填料損壞的原因,并提出了改進(jìn)建議,即要在填料密封前先建立一級靜密封腔。楊帆等人[11]對噴淋閥閥座磨損問題進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不適當(dāng)?shù)臉O化噴淋過程中,噴淋閥會出現(xiàn)閥座磨損的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致內(nèi)漏。

也有不少學(xué)者針對碟簧進(jìn)行了相關(guān)研究。

彭新英等人[12]運(yùn)用理論計算、有限元數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方法,對非標(biāo)碟簧進(jìn)行了選型設(shè)計,并進(jìn)行了球閥密封性實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所選碟簧的適用性。FAWAZI N等人[13]提出了一種改進(jìn)的考慮徑向撓度的碟簧載荷位移預(yù)測計算方法,采用該方法可以使預(yù)測結(jié)果更加合理實(shí)用。KARAKAYA[14]采用有限元分析法,對不同截面和混合類型的碟簧進(jìn)行了壓縮分析,并確定了最佳的碟簧類型。

碟簧在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的斷裂失效[15]也是不少學(xué)者研究的重點(diǎn)。

PAL U等人[16]為了延長碟簧的使用壽命,通過優(yōu)化其錐體的高度,達(dá)到了延長碟簧使用壽命的目的。DHARAN C K H等人[17]分析了環(huán)向應(yīng)力引起的碟簧徑向斷裂問題,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用復(fù)合材料可以完美替代鋼制碟簧,并顯著降低碟簧的質(zhì)量。羅慧琪等人[18]對斷裂的倒擋碟簧進(jìn)行了各項(xiàng)檢查,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其折疊處產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng),會導(dǎo)致倒擋蝶形彈簧疲勞斷裂。胡文盛等人[19]針對某核電廠穩(wěn)壓器噴淋閥的碟簧斷裂問題,采用多項(xiàng)測試的方法進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),碟簧發(fā)生斷裂的主要原因是其熱處理工藝不當(dāng)。

目前,國內(nèi)外對穩(wěn)壓器噴淋閥和V型球閥的相關(guān)研究重點(diǎn)集中在流量特性,對于閥門運(yùn)行過程中閥內(nèi)件力學(xué)特性研究較少。

為此,筆者采用數(shù)值模擬方法,在密封失效情況下和不同壓差工況下,探究閥內(nèi)流場變化及碟簧受力情況;并針對碟簧兩側(cè)壓差過大問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以期為穩(wěn)壓器噴淋閥的碟簧選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 噴淋閥計算模型

1.1 幾何與流道模型

V型球閥式穩(wěn)壓器噴淋閥幾何模型和流道模型如圖1所示。

圖1 V型球閥式穩(wěn)壓器噴淋閥幾何與流道模型

由圖1可知:該穩(wěn)壓器噴淋閥主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿、碟簧及法蘭等部件構(gòu)成。為了模擬密封失效的情況,筆者處理了閥座與閥體間的密封環(huán),使得介質(zhì)可以流經(jīng)閥座與閥體之間的間隙。

1.2 網(wǎng)格劃分

筆者采用混合網(wǎng)格對流道模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分:采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分進(jìn)出口管道,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分閥體內(nèi)部;同時,筆者對間隙流道以及V形切口區(qū)域進(jìn)行加密處理。

網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

為了降低網(wǎng)格數(shù)目對計算結(jié)果的影響,筆者進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由表1可知:當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目超過3.6×106時,能夠保證數(shù)值模擬的精度。此處采用的模型網(wǎng)格數(shù)均超過3.6×106。因此,可以保證數(shù)據(jù)模擬精度要求。

數(shù)值模擬所采用的介質(zhì)為常溫液態(tài)水;進(jìn)口邊界設(shè)為壓力入口;出口邊界設(shè)為壓力出口,壓力設(shè)置為15.4 MPa(這一數(shù)據(jù)來自于某核電站穩(wěn)壓器噴淋閥實(shí)測數(shù)據(jù));閥門開度為9開度(該開度為某核電站穩(wěn)壓器噴淋閥正常工作開度)。

由于流體在閥門內(nèi)會產(chǎn)生湍流,因此,筆者在此處采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程,壓力與速度耦合采用SIMPLE算法,梯度項(xiàng)采用least squares cell-based。同時,為了保證計算的精度,其余項(xiàng)均以二階迎風(fēng)格式離散。

1.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

調(diào)節(jié)閥[20-21]的流量系數(shù)是用來衡量調(diào)節(jié)閥流通能力的重要指標(biāo),常用符號KV來表示。

流量系數(shù)的定義為:當(dāng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差為0.1 MPa,介質(zhì)為常溫(5 ℃～40 ℃)液態(tài)水時,每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)的體積,其單位為m3/h。

流量Q具體可以由下式計算得到:

(1)

式中:ξ為調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù);Δp為進(jìn)出口壓差;r為重度。

根據(jù)式(1),在知道閥門的進(jìn)出口壓差、流量和介質(zhì)的物理屬性時,可以求得閥門的流量系數(shù)。

筆者利用數(shù)值模擬方法,得到1 MPa下穩(wěn)壓器噴淋閥在最大開度時的流量為115 kg/s,得到最大開度流通能力KV為130。而筆者根據(jù)穩(wěn)壓器噴淋閥實(shí)驗(yàn)報告,得到噴淋閥實(shí)際最大開度下的流通能力KV為125。

兩者之間的誤差為4%。誤差產(chǎn)生的原因是筆者在建模時對閥內(nèi)件做了相應(yīng)簡化,使閥門的流通能力有一定的加強(qiáng),但其誤差較小。

同時,筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),楊佳明等人[4]將數(shù)值模擬得到的閥門各開度下的流量系數(shù)與實(shí)際工況下測得的各開度下的流量系數(shù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了相關(guān)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

綜上可知,上述數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

2 數(shù)值模擬及分析

筆者研究的穩(wěn)壓器噴淋閥允許工作壓差為0.5 MPa,但實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)存在超壓情況,這可能是導(dǎo)致閥內(nèi)密封環(huán)斷裂以及碟簧斷裂的原因。

因此,有必要對不同壓差的閥內(nèi)流場進(jìn)行模擬分析。筆者取入口壓力為15.7 MPa、15.9 MPa、16.1 MPa、16.4 MPa(分別對應(yīng)正常工作壓差、臨界壓差以及超壓差情況)分別進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 不同壓差下閥內(nèi)流場特性

不同壓差下噴淋閥閥內(nèi)流場流速分布情況,如圖3所示。

圖3 不同壓差下流場流速分布

由圖3不難看出:閥內(nèi)流體速度主要變化區(qū)域?yàn)閂形槽區(qū)域。流體在進(jìn)入V形槽口前會有一段加速區(qū)域,在V形槽口處達(dá)到流速最大值;之后,流體離開V形槽口,速度逐漸減小,形成一塊減速區(qū)域。這是因?yàn)榱黧w經(jīng)過V形槽口處,受到節(jié)流作用而使流速增加。這說明在小開度情況下,球閥V形槽口開口處會承受高速流體的沖刷,這對閥門的壽命有嚴(yán)重影響;

根據(jù)流線分布可以看出:流體經(jīng)過閥芯后存在漩渦,這是因?yàn)楣?jié)流槽處流速較大,離開節(jié)流槽口時形成射流,而另一側(cè)處流體流速較小,壓力較大,導(dǎo)致流體在兩處之間形成漩渦,造成能量損失。而隨著壓差增大,閥內(nèi)速度也進(jìn)一步增加,渦旋范圍增加,閥內(nèi)流體狀態(tài)更加復(fù)雜;

間隙流道的流速一直保持較小的值,與入口流速保持一致,這是因?yàn)榇藭r的介質(zhì)流道為V形槽口,介質(zhì)通過間隙流道后會被碟簧阻斷,所以間隙流道流速穩(wěn)定,且流速很低。

不同壓差下的閥內(nèi)壓差分布如圖4所示。

圖4 不同壓差下流場壓力分布

由圖4可知:閥內(nèi)壓降主要產(chǎn)生在V形槽區(qū)域,壓降區(qū)域主要流體壓力變化由入口壓力逐步變化為出口壓力,但是在槽口及附近一小塊區(qū)域會出現(xiàn)壓力小于出口壓力;并且,隨著入口壓力的增加,最小壓力值也會不斷下降。這是因?yàn)榻o定固定開度及進(jìn)出口壓力時,閥內(nèi)要產(chǎn)生更大的壓降來適應(yīng)壓差的增加。

因此,對于不同壓差,噴淋閥應(yīng)當(dāng)采用相應(yīng)開度,以達(dá)到更好的降壓效果。間隙流道的壓力與入口壓力保持一致,這是因?yàn)殚g隙流道并未與出口側(cè)連通,介質(zhì)沒有壓力釋放通道,所以間隙流道壓力保持不變,且與入口壓力相同。

2.2 碟簧受力分析

噴淋閥碟簧兩側(cè)的受力面示意圖如圖5所示。

圖5 碟簧受力面示意圖

圖5展示了噴淋閥碟簧在閥門內(nèi)部承受流體壓力的兩個側(cè)面。

筆者在Fluent提取2個受力面數(shù)據(jù),經(jīng)整理,得到不同壓差下,噴淋閥碟簧兩側(cè)的受力數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 不同壓差下碟簧兩側(cè)受力數(shù)據(jù)

不同壓差下,碟簧兩側(cè)受力數(shù)據(jù)分析圖如圖6所示。

圖6 不同壓差下碟簧兩側(cè)受力數(shù)據(jù)分析圖

表2和圖6反映了在密封失效的情況下,穩(wěn)壓器噴淋閥碟簧兩側(cè)的受力情況:

入口側(cè)受力接近入口壓力,出口側(cè)受力接近出口壓力,因此,兩側(cè)差值也接近進(jìn)出口壓差,并隨進(jìn)出口壓差呈現(xiàn)線性關(guān)系。

以上結(jié)果說明,在密封失效情況下,小開度下進(jìn)出口壓力過大會導(dǎo)致碟簧兩側(cè)壓差過大。

要判斷碟簧是否會因?yàn)閮蓚?cè)壓差較大而被擠壓,需要對碟簧進(jìn)行受力分析。又因?yàn)橹恍枰嬎愕杀粩D壓脫離閥體的臨界壓差,所以筆者將碟簧的三維模型簡化為二維模型。

碟簧的受力分析模型如圖7所示。

圖7 碟簧受力分析模型

碟簧材料為Inconel 718。

筆者根據(jù)碟簧的自由高度2.794 mm以及工作高度1.905 mm差值,賦予碟簧裝配載荷,在閥門入口段施加固定約束,并在碟簧入口側(cè)施加不同壓力載荷,直到找到將碟簧擠壓脫離閥體的壓力。

模擬結(jié)果顯示,此時壓力為0.24 MPa,這說明當(dāng)?shù)蓛蓚?cè)壓差超過0.24 MPa時,碟簧會被擠壓而最終脫離閥體。

根據(jù)分析可知,在密封失效的情況下,碟簧進(jìn)出口側(cè)壓差接近于閥門進(jìn)出口壓差,而0.24 MPa為閥門正常工作壓差,因此,可以說明碟簧存在兩側(cè)壓差過大而被擠壓,從而導(dǎo)致往復(fù)運(yùn)動失效的情況。

3 碟簧受力實(shí)驗(yàn)

針對碟簧受力情況,筆者進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖8的實(shí)驗(yàn)步驟為:

封閉穩(wěn)壓器噴淋閥閥芯主流道,并去除密封環(huán),使得間隙流道成為流體流通的唯一流道;保證出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓固定不變,不斷提升入口壓力,根據(jù)出口流量變化來判斷碟簧實(shí)際受力情況以及碟簧擠壓臨界壓差;當(dāng)流量出現(xiàn)大幅提升,說明此時碟簧和閥體之間的接觸消失,出現(xiàn)泄露通道。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)壓差達(dá)到0.207 MPa～0.276 MPa時,出口流量大幅度提升。這說明在該壓力下碟簧會被擠壓,碟簧與閥體之間的接觸失效。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述數(shù)值模擬結(jié)果(0.24 MPa)一致,也進(jìn)一步驗(yàn)證了該數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

筆者根據(jù)模擬以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,判斷在工作壓差下存在碟簧兩側(cè)壓差過大被擠壓的情況。

當(dāng)密封失效時,碟簧入口側(cè)持續(xù)受到流體力作用,會一直保持脫離閥體的狀態(tài);而密封未失效時,由于密封環(huán)的阻斷作用,碟簧入口側(cè)的流體需要一定時間的積累才能沖開碟簧。

這兩種情況都會導(dǎo)致碟簧進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動,并產(chǎn)生疲勞失效,嚴(yán)重影響了碟簧及穩(wěn)壓器噴淋閥的使用壽命。因此,有必要針對這一情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果分析

為了解決噴淋閥碟簧兩側(cè)壓差較大的問題,筆者提出了一種采用波形彈簧來代替碟簧的解決方案。

該波形彈簧的示意圖如圖9所示。

圖9 波形彈簧示意圖

波形彈簧可以使兩側(cè)流體流通,因此不存在碟簧兩側(cè)壓差過大的情況,并且波形彈簧具有強(qiáng)度高、柔性好、耐沖擊力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以減少流體擾動的影響。

筆者對采用波形彈簧代替碟簧的穩(wěn)壓器噴淋閥進(jìn)行模擬分析,采用的工況為入口壓力16.4 MPa,出口壓力15.4 MPa。

波形彈簧受力分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 波形彈簧受力分析

筆者提取圖10中波形彈簧兩側(cè)壓力(其中,入口側(cè)平均壓力為15.6 MPa,出口側(cè)平均壓力為15.1 MPa,兩側(cè)壓差為0.5 MPa)。雖然其仍然存在壓差,但相比碟簧的1 MPa,壓差已經(jīng)得到了明顯的改善。

由圖10可知:間隙流道與內(nèi)部流道連通,流體會在間隙流道處產(chǎn)生壓降,使得波形彈簧兩側(cè)壓差下降。

由此可見,采用波形彈簧代替碟簧可以有效解決碟簧脫離閥體的問題。

5 結(jié)束語

由于目前針對穩(wěn)壓器噴淋閥和V型球閥的相關(guān)研究重點(diǎn)集中在了流量特性上,對于閥門運(yùn)行過程中閥內(nèi)件力學(xué)特性研究較少。為此,筆者采用數(shù)值模擬方法對密封失效情況下的碟簧受力情況進(jìn)行了仿真分析,采用相關(guān)實(shí)驗(yàn)對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,并針對碟簧兩側(cè)壓差較大問題提出了改進(jìn)措施,對優(yōu)化效果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明:

1)隨著壓差的增大,穩(wěn)壓器噴淋閥內(nèi)速度也會進(jìn)一步增加,且最高流速總是出現(xiàn)在V形槽口處;隨著壓差增大,穩(wěn)壓器噴淋閥內(nèi)壓降會進(jìn)一步增加,閥內(nèi)最小壓力也進(jìn)一步下降,且最小壓力總是出現(xiàn)在V形槽口處;

2)碟簧存在工作壓力下被擠壓脫離閥體的情況,密封失效會使得這一現(xiàn)象持續(xù)存在,從而使碟簧進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動,并產(chǎn)生疲勞失效,嚴(yán)重影響碟簧及穩(wěn)壓器噴淋閥的使用壽命;

3)采用波形彈簧代替碟簧可有效改善碟簧兩側(cè)壓差過大問題,但是需要對波形彈簧力進(jìn)行精確計算,在保證穩(wěn)定性的同時,避免預(yù)緊力過大而導(dǎo)致球體密封過度磨損情況的發(fā)生。

目前,筆者只使用模擬方式對波形彈簧的優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證,且波形彈簧代替碟簧還具有一定局限性。因此,在后續(xù)的工作中,筆者將研究其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式,并搭建物理實(shí)驗(yàn)臺對其優(yōu)化效果做進(jìn)一步的驗(yàn)證。