1 概述

    在核電安全注入系統(tǒng)（RIS）中，核級小口徑升降式止回閥（以下簡稱止回閥）是一種使用較為廣泛的閥門，用來防止介質(zhì)倒流。在核電廠供貨的止回閥中有部分出現(xiàn)了C_V值嚴重偏低的問題，并伴隨振動和噪聲的異?，F(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)本身流動而自動開、閉閥瓣的閥門。閥門的C_V值是衡量閥門流通能力的指標，C_V值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。因閥門C_V值偏低，能導(dǎo)致系統(tǒng)流動阻力大，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，需要對其結(jié)構(gòu)進行分析和改進。

    2 分析

    2.1 動作特性

    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。當(dāng)介質(zhì)順流時，閥瓣靠介質(zhì)推力開啟。

    當(dāng)介質(zhì)反方向流動時，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

    對核電廠現(xiàn)場使用的DN50－Class1500止回閥（圖1a）按流量試驗標準JB/T5296－1991的要求進行了流量系數(shù)CV值試驗得出一組數(shù)據(jù)（表1）。

    流量系數(shù)CV值為

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

    △p———測量裝置測得的總壓差，kPa

    ρ———流體密度（ρ=1），kg/cm³

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

    經(jīng)過流量試驗表明，閥門的平均流量系數(shù)C_V值與系統(tǒng)運行要求的數(shù)據(jù)比較有很大的差距。閥門流量試驗后，解體發(fā)現(xiàn)閥瓣有卡塞現(xiàn)象，修復(fù)后重新試驗其結(jié)果仍然達不到要求，需對其結(jié)構(gòu)進行分析和改進。

    2.3 結(jié)構(gòu)性能

    （1）閥瓣深入閥蓋尺寸偏小

    根據(jù)實測，閥瓣在關(guān)閉狀態(tài)時深入閥蓋實際有效尺寸為5mm，極易導(dǎo)致閥瓣深入閥蓋的尺寸不足，在體、蓋內(nèi)孔尺寸控制不嚴格的情況下，可能導(dǎo)致閥瓣運動出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象（圖1a）。

    （2）閥體中腔導(dǎo)向長度不足

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

    （3）閥體、閥瓣和閥蓋運動副配合間隙不合理

    閥門解體后測量的閥體中腔、閥瓣直徑D與其對應(yīng)的C_V值數(shù)據(jù)見表2。為進一步驗證配合間隙和C_V值的關(guān)系，用DN50－Class150（其結(jié)構(gòu)與圖1a同）止回閥進行流量系數(shù)試驗，其數(shù)據(jù)見表3。

表2 DN50－Class1500止回閥解體測量的

D值與其對應(yīng)的C_V值

表3 DN50－Class150止回閥測量的D值與其對應(yīng)C_V值

    （4）閥門內(nèi)表面粗糙度Ra值的影響

    介質(zhì)在閥門內(nèi)部流動與閥門內(nèi)腔產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生流動阻力和能量損失，閥門內(nèi)腔越粗糙，介質(zhì)的流量系數(shù)C_V值越低。

    通過由表2、表3及圖2、圖3流場分析，可以看出閥瓣在全開狀態(tài)下閥體與閥瓣接觸長度約為導(dǎo)向長度的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)在閥瓣下面有一個紊流區(qū)域，當(dāng)閥體與閥瓣的配合間隙大時，閥體不能很好的約束閥瓣，閥瓣會隨著介質(zhì)轉(zhuǎn)動和擺動，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，閥體對閥瓣有較好的控制，閥瓣隨介質(zhì)的轉(zhuǎn)動和擺動的程度降低，減小對介質(zhì)流動的影響（圖3）。通過分析和試驗證明，閥瓣與閥體的配合間隙減小，C_V值增大。

圖2 改進前閥體中腔孔導(dǎo)向止回閥的流場分析

圖3 改進后閥蓋導(dǎo)向止回閥的流場分析

    3 改進

    針對上述分析的幾個方面的原因，對止回閥的結(jié)構(gòu)進行了改進（圖1b）。

    （1）擴大閥體中腔

    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)在閥體中的流動損失。閥門結(jié)構(gòu)改進前后的數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 DN50－Class1500止回閥改進前后的數(shù)據(jù)對比

    （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C_V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

    對結(jié)構(gòu)改進后的止回閥，重新進行了流量系數(shù)試驗得出下列一組數(shù)據(jù)（表5）。

表5 結(jié)構(gòu)改進后的DN50－Class1500

止回閥流量系數(shù)試驗數(shù)據(jù)

    5 結(jié)語

    止回閥結(jié)構(gòu)改進后，其C_V值試驗結(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。對止回閥流量系數(shù)測試數(shù)據(jù)分析的過程和結(jié)論，為閥門的設(shè)計、制造以及系列化和軟件模擬計算奠定了基礎(chǔ)。