核电站用核级止回阀的设计.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 3期 流体机械 4 3 文章编号 1 0 0 5 -- - -- 0 3 2 9 2 0 1 0 0 3 O o 4 3 0 5 核 电站用核级止回阀的设计 沈捷美， 张逸芳 。 孙雪萍 江苏神通阀门股份有限公司， 江苏启东2 2 6 2 3 2 摘要 分析了核电站朋止【 Ⅱ J 阀的工艺条件， 全面论述了核电站用止回阀设计 、 制造及试验等过程的控制方法。 关键词 核电站 ； 核级止 【 nj 阀； 设计 中图分类号 T K 0 3 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 0 9 S h a l l o w Ta l k t h e De s i g n o f Cl a s s i fi e d DUO Ch e c k Va l v e f o r Us e i n Nu c l e a r P o we r S t a t i o n S HE N J i e - me i ， ZHAN G Yi f a n g， S UN Xu e p i n g J i a n g s u S h e n t o n g v a l v e C o ． ， L i d ． ， Q i d o n g 2 2 6 2 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t e c h n o l o g y c o n d i t i o n o f n u c l e a r p o w e r s t a t i o n c l a s s i f i e d D UO c h e c k v a l v e w e r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r． T h e p r o c e s s o f d e s i g n，ma n u f a c t u r e a n d t e s t o f n u c l e a r p o w e r s t a t i o n c l a s s i fi e d D UO c h e c k we r e c o mp l e t e l y i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r d s n u c l e a r p o we r s t a t i o n； c l a s s i fi e d DU O c h e c k v a l v e ； d e s i g n 1 前言 随着核工业 的快速发展 ， 核 电站设备大型化 、 高参数、 高性能及可靠性、 安全性的要求越来越 高 ， 这就要求核 电阀门也 能适应这种发 展趋势。 核电阀门在核电站设备中虽为附件 ， 但至关重要 ， 核电站用阀门比常规大型火力发电站用阀门要求 更高。核电站用核级止回阀主要应用于压水堆核 电站安全系统。 2 国内外核级止回阀的形式 目前 国内外核级止回阀的结构形式主要有旋 启式止回阀 、 升降式止 回阀 、 蝶式止回阀等 ， 其选 型时主要考虑安装空间位置、 管道支撑功能、 启闭 频率及环境条件等。 3 设计理念 收稿 13期 2 o o 9 一 D 9 _2 4修稿 13期 2 0 1 0 _ _ o l _2 9 核 电阀门是核电站反应堆安全运行的重要保 障， 核级阀门投资约 占核 电站设备总投资的 6 ％ ， 但却 占核级设备维修费用的 5 0 ％。因此 ， 在核电 阀门的设计和制造过程中， 强调对安全性和可靠 性 的理念应贯彻在产品设计 、 工艺规范设计 、 零件 加工、 型式试验、 质量控制和售后服务等全过程。 4 设计 核电站用核级 止 回阀的 主要结构 形式有 3 种 1 旋启式止回阀其结构见图 1 。 1 主要 由阀体 、 阀盖 、 阀瓣 、 摇杆 、 阀轴 、 轴承 等零部件组成 ； 2 对于压力级 I O M P a 以下的阀门， 允许阀盖 通过与带有密封和压力限制器 的简单装置进行螺 栓连接 ； 3 旋启式止回阀设有铰链机构， 阀瓣与铰链 机构应有足够的旋启空间， 以确保阀瓣准确回座 、 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 3， 2 01 0 阀瓣相对铰链机构不能转动 ； 4 在关闭位置时 ， 无论阀 内有无介质 ， 设计 应使 阀瓣能靠 自重或外部重力 回位在关闭位置 ； 5 在全开位置时 ， 阀瓣应浸入阀 内介 质中。 流体压力几乎不受阻碍 ， 因此通过 阀门的压力降 相对较小 ； 6 阀座和阀瓣密封面应堆焊硬质合金 ， 也可 以在金属上镶嵌橡胶 、 或者采用合成覆盖面， 这取 决于使用性能的要求。 阀 图 1 旋启式止回阀 2 升降式止 回阀结构见图2 。 阀体 轴 承 阀瓣 图 2 升降式止回阀 1 主要由阀体 、 阀瓣和轴承等零部件组成 ； 2 阀瓣导 向作用 的部分应有足够 的长度 以 便阀瓣无阻碍地 自由运动 ； 3 导 向面应具有硬度差。导 向机构应有平 衡孔 ， 以免产生活塞效应 ； 4 阀座和阀瓣密封 面应堆焊硬质合金 ， 也可 以用橡胶阀座作为一个密封面， 这取决于使用性 能的要求 。禁止使用锥形 一锥形或锥形 一环形座 的接触方式； 5 流体压力使阀瓣从阀座密封面上抬起， 介 质回流导致 阀瓣 回落到 阀座上， 并切 断流动。流 体通过升降式止回阀的通道也是狭窄的， 因此通 过升降式止 回阀的压力降要大些。 3 蝶式止回阀结构见图3 。 阀体 阀瓣 阀 轴承弹簧 图 3 蝶式止 回阀 1 主要由阀体 、 阀瓣 、 阀杆 、 轴承和弹簧等零 部件组成 ； 2 阀瓣为 2个半圆， 且采用弹簧强制复位； 3 密封面可为本体堆焊耐磨材料或衬橡胶 ， 这取决于使用性能的要求 ； 4 流体压力克服弹簧力使阀瓣从阀座街封 面上抬起 ， 介质 回流 时依靠 弹簧和 阀瓣 的 F j 匝 安装在垂直管道上 使致阀瓣 回落到阀座上； 5 止回阀设计 中应 考虑水击压力对阀 门过 载和疲劳破坏的影响以及止回阀结构对管道系统 产生水击的作用。 5 执行 的标准 阀门设计制造过程 中一般执行的标准 一 R C C M压水堆核岛机械设备设计和建造 规则 2 0 0 0年及 2 0 0 2年版补遗 ； 一 R C CE压水堆核岛电气设备设计和建造 规则 1 9 9 3年版 ； 一 R C CP压水堆核电站系统设计 和建造规 则 1 9 9 1 年及 1 9 9 5 年版修订 ； 一 A S ME B 1 6 ． 3 4 a法 兰、 螺纹和焊接端连接 的阀门； 一 A S ME B 1 6 ． 5管法兰和法兰管件 ； 一 A S M E Q ME一1核电厂能动机械设备的鉴 定要求 2 0 0 2年版 ； 一 G B ／ T 6 4 1 4铸件的尺寸工差与机械加工余 量 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 3， 2 01 0 4 阀体校核准则 1 计算阀体在工作压力单独作用下的薄膜 应力和薄膜加弯曲应力； 2 阀体在各级工况下的应力校核 阀门在 0级 A级 工况下的载荷为内压、 接 管载荷和 自重 。 计算出拐角位置在 0级 A级 工况下总体 一 次薄膜应力和总体一次薄膜加弯曲应力。 B级工况与0级工况 比较 ， B级工况 内压为 0 级的 1 ． 1倍， 增加地震载荷。 C级工况与 0级工况 比较 ， C级工况内压为 0 级的 1 ． 2倍 ， 其它载荷相同。 D级工况与 0级工况比较 ， D级工况内压为 0 级的 1 ． 2倍 ， 增加地震载荷。 5 法兰与阀体连接螺栓的应力分析及法兰 应力校核 计算采用规范 R C CM C 3 5 6 3 ． 4和技术性附 录 Z V 2 2 3和 Z V 3 0 0 。 1 螺栓载荷的确定 设计工况下的螺栓载荷为 ，m l He 0 ． 7 8 5 D P 2 b 3 ． 1 4 D j ， P 1 2 垫片压紧工况下的螺栓载荷 垫片压紧工况下的螺栓载荷为 3 ． 1 4 b D j Y 2 3 需要的螺栓面积及实际的螺栓总面积比 较 需要的螺栓总面积为 ． f A l l ／ S 6 。 m 蹦 i ／ ．s 。 式中5 。 常温下螺栓许用应力 ．s 设计温度下的螺栓许用应力 4 用于法兰设计的螺栓载荷 设计工况 W 。 4 垫片压紧工况 W A 6 ．s 。 ／ 2 5 F 为螺栓的初始紧固力， 取以上两工况中的 大值。 5 法兰力矩 作用在法兰上的最大弯矩为 Mo MD ，J r r MG 6 其中 z P 生 M T 4 ⋯D 2 尸 2F a ， 半 [ ] 2 C 日 一D ■ 一 式 中 法兰内直径 C 螺栓环直径 D 垫片环直径 g 。 法兰颈大端厚度 P 设计压力 ， 运行工况下作用在连接件上的弯矩 F 运行工况下作用在连接件上的轴向 力 。法兰内部静压力引起的弯矩 密封 垫圈与法兰内径 之间的环形 面上的静压力所引起的弯矩 D、 卜R c c M Z V 3 4 2规定“ 等效 压力” 的应用导致的弯矩 6 垫片反作用力产生的弯矩 为 。 H 。 7 其中H c F s 一 H o H D 一 r 日 r Ho P H 7 7 2 一 B 2 P H ； _ r 2 _ B 2 D D 式中 密封垫圈上的压缩力 加在法兰内部的静压力 日 加在密封垫 片和法 兰孔之 间的环 形表面上的力 D 、 r c c M Z V 2 2 3 ． 2规定施加 的“ 等效压力” 导致计算值的 增加 7 法兰分析中考虑的弯矩为 Mm a x Mo C o ， C o 8 式中 C 。 螺栓问距过大时的矫正系数 6 法兰许用应力的限值 按照压水堆核电厂核岛机械设备设计规范 2 0 1 0年第 3 8卷第 3期 流体机械 4 7 R C C M 的规定 ， 需要对表 2中各个工况下应力 进行校核。 表 2 法 兰应 力限值 工况 需要校核应力 应力许用值 S ， ， 1 ． 5 Js S 1 ． 0 S Sr 1 ． 0 S 设计工况 S S R 1 ．0 5 2 S Sr 1 ． 0S 2 S A级工况 S 1 ． 5 5 S SH B级工况 S R 1 ． 5 S Sr S C级工况 S R 1 ． 5 S Sr S D级工况 S 月 1 ． 5 S Sr 6 样机试制 样机试制过程中严格执行产品图样 、 工艺文 件 、 操作规程和技术标准的相应规定。 1 阀门的铸 件 、 锻件严格按 工艺评定 确定 的工艺参数执行 ， 做好记录 ， 并有见证人员和检验 人员进行跟踪验证 。 2 阀座和阀瓣密封面堆焊硬质合金的止回 阀应做好焊接工艺评定 ， 对密封面进行无损检验。 3 金属上硫 化橡 胶的止 回阀 ， 做好橡 胶与 金属的结合强度试验验证。核级止回阀的橡胶需 进行辐照老化等试验。 4 金切加工按 机械加工工艺过程卡操作 ， 并在零件机加工路线单上做好记录， 检验人员进 行跟踪验证 。 5 装配 按装配明细表备齐所有零部件及 工装夹具 ， 按装配工艺过程卡的操作规程进行组 装调试并在装配路线单 上做好记录 ， 且有见证人 员和检验人员进行跟踪验证。 7 试验 止 回阀试验 内容包括循环试验 、 中间检验 、 地 震试验和流体阻断试验。为了确保止 回阀的可靠 性和安全性 ， 试验 的阀门应安装在尽可能接近 的 相似于实际阀门工况的试验装置上。 1 试验装置应允许对一 k游端 口和下游端 口 的加压进行控制 。 2 阀座泄漏 的测量 ， 试验保压 时间最少为 5 m i n或更长 ， 直到认 为足以建立泄漏率。 3 轴密封泄漏应在阀门处于局部打开位置 情况下 ， 在额定的冷态工作压力下进行测试 ， 轴密 封泄漏试验应在阀门全循环十次后进行 ， 试验保 压时间不少于为 5 m i n 。 4 给试验装置加压 至试验压力 ， 使 阀门处 于完全开启状态 ， 稳定一定时 间， 一端卸压 ， 阀门 关闭 ， 约 l O s 钟后 ， 再开启阀门。循环次数达到规 定要求 。 5 阀门在开启状态下 ， 试 验装 置的上游端 口卸压 ， 下游端 口加压验证 阀门在大流量 下的关 闭能力。并记录关 闭时间和压差 。 6 地震 试验 阀门在模拟地震供况 下， 阀门 的密封试验。 8 止 回阀的安装和使用 1 升降式垂直瓣止 回阀应该安装在垂直管道 上。 2 升降式水平瓣止 回阀应该安装在水平管道 上 。 3 旋启式止回阀正常情况下都是水平安 装， 但也可以安装在垂直管道上或倾斜管道上。 4 蝶式止回阀水平管道或垂直管道均可使 用， 但安装在水平管道上阀轴应垂直安装。 5 安装时注意介质流动 的方向应与 阀体所 示的箭头方 向一致。 6 在管线中不要使止回阀承受附加载荷， 大型的止回阀应独立支撑， 使之不受管系产生的 压力 的影响。 9结语 核级止回阀的工作特点是载荷变化大， 启闭频 率低， 使用周期较长， 且不要求运动部件频繁动作。 但一旦有“ 切换” 要求， 则必须动作灵活 ， 这就要求 在设计时应充分考虑阀门的功能特点及可靠性。 下转第 1 1页 2 0 1 0 年第3 8卷第 3 期 流体机械 声作用之外， 相对于上述 2 种降噪措施而言， 其主 要作用是降低具有连续频谱的涡流噪声。 倾斜蜗舌结构和简易阻性消声器共同使用， 二者针对的主要降噪目 标不同， 降噪作用互补， 因 此取得了良好 的降噪效果 ， 2种措施 各 自的降噪 效果显示 出良好 的迭加特性。倾斜蜗舌结构 和本 文简易共振消声器共 同使用， 二者的主要降噪 目 标相同， 都是针对基频噪声 ， 降噪作用 重复， 由于 倾斜蜗舌结构处于基频噪声源的位置， 在降低基 频噪声 中起主要作用 ， 从图 8中可以看出， 采用倾 斜蜗舌结构后 ， 试验风机的基 频噪声及其谐波都 已很不明显， 此时再采用针对基频噪声 的简易共 振消声器 已无作用 ， 反而可能引起一些附加干扰 ， 所以二者同时使用时降噪效果并不理想。 8 0 巴5 5 - 始风机 ‘ 倾斜蜗舌风机 性能变化不大 可比较 图 2 、 7 ， 噪声在整个变工 况流量范围内均有较大幅度下 降， 在高效点处降 噪约 l 4 d B A 左 右， 且制造成本增加不多 ， 用户 比较满意 ； 2 当需要在同一风机上同时使用 2种降噪 措施时， 如果条件许可 ， 建议首先对每种降噪措施 单独使用时的风机噪声频谱进行测量和分析 ， 然 后根据噪声频谱的特点有针对性地选择相互配合 使用的降噪措施， 这样可以减少盲目性， 使不同措 施的降噪效果获得较好的相互迭加。如果没有条 件进行噪声频谱的测量分析 ， 则建议参考本文的 初步定性分析 ， 同时使用的 2种措施最好具有不 同的降噪目标或针对不同的降噪 目标频率， 2种 措施的主要降噪作用最好不要互相重复而是互相 补充， 这样可以提高降噪效果的成功概率。 消 器 参考文献 1 o o o f t f z 图8 风机在最高效率工况时的出口噪声频谱 7 结论 1 试验结果表 明， 在带有倾斜 蜗舌结构 的 I 91 9 N o ． 4 A前 向离心风机 出口配置本文结构的 简易阻性消声器 可以取得较好降噪效果 ， 可使整 个变工况流量范围内的风机噪声 曲线基本 向下平 移约9 d B A 左右。若与不带有倾斜蜗舌结构的 原 一1 9 N o ． 4 A前 向离心风机相 比， 同时采用倾 斜蜗舌结构和本文简易阻性消声器可使风机气动 [ 1 ] D a t o n g Q i ，Y i j u n Ma o ，X i a o l i a n g L i u ， e t a1．E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e n o i s e r e d u c t i o n o f a n i n d u s t r i a l f o r w a r d c u r v e d b l a d e s c e n t ri f u g a l f a n [ J ] ．A p p l i e d A - c o u s t i c s ， 2 0 0 9 ， 7 0 8 1 0 4 1 ． 1 0 5 0 ． [ 2 ] Q L i u ，D Q i ， Y M a o ．N u m e ri c a l c a l c u l a t i o n o f c e n t r i f - u g al fan n o i s e [ J ] ．P r o c ．I m c h E，P a r t C，J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g S c i e n c e ，2 0 0 6 ， 2 2 0 8 11 67 1 1 7 7． [ 3 ] 黄璺宇．离心风机叶片的点声源模拟和 1 9 ． 1 9 N o ． 4 A离心风机降噪试验研究[ D] ．西安 西安交通大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] G B ／T 1 2 3 6 - 8 5通风机空气动力性能试验方法[ S ] ． [ 5 ] G B ／ T 2 8 8 8 - 9 1风机 和罗茨鼓 风机噪声测量方法 [ s ] ． [ 6 ] 唐囡． 离心风机进出口及机壳辐射噪声控制的计算 与实验研究[ D] ． 西安 西安交通大学， 2 0 0 9 ． 作者简 介 任 刚 1 9 7 4 一 ， 男 ， 工程 师 ， 通讯 地址 5 2 8 2 2 5广东 佛山市南海 区狮 山大道南方风机股份有限公 司。 上接第4 7页 参考文献 [ 1 ] 上海发电设备成套设计研究院， 上海核工程研究设 计院译．核电厂能动机械设备鉴定[ M] ． 上海 上海 科学技术文献出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 方庆贤， 黄炳臣．中国核级设备的设备鉴定[ M] ． 北 京 第一届 法核电标准与资质鉴定研讨会资料， 2 oo 7． [ 3 ] 陆培文． 实用阀门设计手册[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 2 ． 作者简介 沈捷美 1 9 7 6 ． ， 女， 工程 师， 通讯 地址 2 2 6 2 3 2江 苏启东市南 阳镇江苏神通阀 门股份有限公司。