在役核電廠測溫旁路閥門阻力特性數值模擬分析

張文其+曹思民+葉竹+沈云海+王保平

【摘 要】根據國內在役核電廠運行反饋，主系統測溫旁路安全1級手動截止閥的閥體閥蓋若采用分體式鍛造，則閥體與閥蓋連接處的唇邊焊會發生泄漏或存在泄漏風險，因此需選用閥體閥蓋一體化鑄造的截止閥進行替代。為了判斷一體化鑄造閥門的阻力特性能否滿足系統的阻力要求，使用CFD軟件CFX對一體化閥門的流阻特性進行數值模擬計算，分析所采用替換閥門對測溫旁路系統流阻要求的適應性。分析結果表示一體化閥門的流阻特性能滿足測溫旁路系統要求。

【關鍵詞】測溫旁路；閥門；數值模擬；流阻特性

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0086-002

【Abstract】Split forging technology is applied in the manufacture of the globe valve used in the bypass temperature measurement of the reactor coolant system（RCS）in some nuclear power plants.This technology，however，leads to the leakage risk at the lips weld on the connecting point between the deck and body of the valve.Thus，using the integrated-casting valve instead is necessary and moreover，this type of valve should satisfy the requirement of flow resistance characteristic.This work focuses on the analysis for the flow resistance characteristic of the integrated-casting valve based on the numerical CFX simulation.The result shows that the requirement of the flow resistance characteristic of this valve type can be satisfied for the bypass temperature measurement.

【Key words】Resistance temperature detector by pass manifold system；Valves；Numerical simulation；Flow resistance characteristics

0 引言

國內近幾年完成建造并投入商運的在役核電廠，其反應堆冷卻劑系統（簡稱主系統）測溫旁路的數十臺安全1級手動截止閥（測溫旁路示意圖見圖1）的結構均為閥體和閥蓋采用螺紋連接。經福清1、2號核電廠運行經驗反饋，該類型的多臺手動截止閥在熱試階段均出現了唇邊焊失效的情況，從而導致了冷卻劑在該處的泄漏，且經打磨補焊等缺陷處理后，少量閥門仍存在唇邊焊再次失效泄漏現象。

主系統測溫旁路的安全1級手動截止閥作為一回路承壓邊界，若在機組運行期間發生不可控的唇邊焊泄漏，可能帶來一回路不可識別泄漏率超標及測溫旁路不可用導致的核安全風險，影響核電廠的安全性與經濟性。為避免該類閥門運行期間唇邊焊泄漏，提高機組的可靠性和安全穩定性，根據核電廠要求，對此類型手動截止閥進行替代。

新的截止閥需滿足在役核電廠主系統測溫旁路安全1級手動截止閥的特性要求外，還需滿足測溫旁路系統的流阻要求。因此本文將通過使用CFD建模分析研究，分析所采用替換閥門對測溫旁路系統流阻要求的適應性。

1 替代閥門特性要求

在役核電廠主系統測溫旁路安全1級手動截止閥的設備選型原則如下：

1）新閥門滿足設備規格書中的技術指標要求，以便滿足主系統安全性與功能性要求；

2）新閥門應在結構上避免唇邊焊泄漏問題，且有良好的運行反饋。

3）新閥門的流動阻力足夠低，以便滿足主回路測溫旁路中冷卻劑傳輸時間的要求；

4）新閥門的尺寸、重量、重心應與原閥門相似，確保滿足安裝空間以及力學評價要求。

根據閥門選型調研，法國VELAN生產的RAMA手動截止閥能夠滿足主系統測溫旁路手動截止閥閥體閥蓋采用一體化鍛造，不需要唇焊以及尺寸、重量、重心應與原閥門相似的要求。

2 閥門流阻分析

測溫旁路上手動截止閥作為主要的局部阻力，其阻力系數在設備規格書中明確進行了規定。主系統測溫旁路閥門實施替換后，新閥門的阻力系數仍應滿足設備規格書中的相關要求。

2.1 控制方程

2.2 幾何模型

RAMA手動截止閥的結構如圖1所示，正常情況下閥門的閥芯與閥座分離，閥門處于全開狀態。因此幾何建模對象為閥門全開狀態下閥門內部流道。本次選用利用商業建模軟件UG對RAMA手動截止閥全開后閥門內部流道進行三維建模。

截止閥入口及出口內徑均為40mm。閥門全開后閥芯頂部距離閥座13.39mm。閥門的其他參數如圖2所示，圖中閥門的各尺寸單位為mm。

2.3 網格劃分

利用網格劃分軟件ICEM對流體通道進行網格劃分，網格數量為139925。

2.4 邊界條件

將網格導入商業流體計算軟件CFX進行邊界條件的設置，閥門入口壓力為15.5MPa，出口流速為25m/s，管壁粗糙度為6.3μm。

2.5 數值模擬結果

閥門內流場分布如下圖所示，由圖可知閥門內流場分布不均，且部分區域存在渦旋現象。在進行閥門流阻計算時，閥門出口處的壓力為平均壓力。經測量，閥門出口處的平均壓力為14.6MPa。

3 結果與討論

4 結論

主系統測溫旁路的手動截止閥作為一回路承壓邊界，若在機組運行期間發生不可控的唇邊焊泄漏，可能帶來一回路不可識別泄漏率。為避免該類閥門運行期間唇邊焊泄漏，核電廠采用VELAN生產的RAMA手動一體式截止閥取代了分體式閥門。然后，為了確定一體式閥門的阻力特性，利用CFD方法對閥門的阻力特性進行了分析。經分析確認，新閥門的當量長度L/D為282.3，測溫旁路系統閥門L/D？燮340的要求。

【參考文獻】

[1]福清1號機組測溫旁路閥門改造研究[J].科技視界，2016，13：1-2.

[2]數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.endprint