安全閥閥腔流動特性分析及數值模擬

沈晨(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院泰興所，江蘇 泰州 225400)

0 引言

在核電技術應用階段，核級閥門是主要耗材類型之一，近些年其需求量有不斷增加趨勢，在系統運轉階段安全閥起到的保護作用也已被證實。本文選擇一種新型核級安全閥為研究對象，和常規安全閥裝置相比較，其最大的不同是將彈簧加載在閥瓣上方，該類安全閥裝置在啟用高度、排放能力方面占據優勢，這是其應用范疇不斷拓展的直接動因。本文采用國際上較為先進的流體仿真技術，通過建模，測算出開度不同時閥腔介質流動屬性，解讀壓力特征，探究啟閉動作時閥腔流場波動遵照的規律與相關影響因素。

1 構建安全閥流道模型

本文采用的安全閥隸屬于直接載荷式安全閥，結構圖示見圖1[1]。

圖1 新型核級安全閥結構示意圖

利用法蘭銜接安全閥和管道，安全閥流道兩側構件呈對稱分布特征，本次研究中為減少網格數目、提升分析過程效率，擬定使用有限元軟件分析25%模型，同時結合系統管路特征，構建了經簡化處理以后的新型核級安全閥流道模型(見圖2)[2]。

2 解讀安全閥流道性能

2.1 閥瓣升力曲線

本文選用ANSYS CFX有限元軟件仿真分析閥腔內部流體模型，擬化安全閥啟用環節中，在升力作用下閥瓣構件發生的改變，并通過試驗加以檢驗證明，歷經數次對比分析后，最終設定了安全閥升力曲線的數值模擬分析法。

圖2 安全閥流道有限元模型

升力曲線是研究安全閥動作屬性的重要基礎，其對外呈現出閥腔內介質對閥瓣形成的相對作用力和行程的函數關系。已知彈簧剛度是影響安全閥動作屬性的主要因素之一，通過解讀特性曲線，能夠測算出癱瘓的最適宜剛度。本次研究通過擬化閥瓣張開度從35mm閉合至1.7mm階段閥瓣承載的介質推力推導出閥瓣升力曲線。

可以采用式(1)測算出升力系數ρ[3]：

式中：Fs為流體于閥瓣上形成的總合力(N)；p為閥門進口處介質的靜壓力(MPa)；d0為流道內徑(mm)。

伴隨安全閥啟閉高層的改變，ρ出現一定變動，閥門構造特征與不同零部件外部形狀規格是影響ρ變動幅度大小的主要因素，可以通過仿真分析過程設定。對閥瓣張開度35～20mm時介質流線進行分析后，發現當張開度指標不同時閥腔內流體介質速度流線改變基本處于閥瓣周邊。

2.2 分析升力曲線圖示與馬赫數

綜合以上仿真過程獲得的數據，勾畫不同張開度狀態下閥門閥瓣升力曲線(圖3)。在常規作業條件下，閥瓣承載的背壓偏大，張開度34 mm后升力特性曲線有漸趨緩取值直至最后成為直線。基于仿真分析試驗，當閥瓣張開度為3. 4 mm時升力系數最低，張開度在5～30mm區間內取值時，升力系數最大，直到趨于平緩無波動。

圖3 閥瓣升力曲線圖

彈簧剛度對其載荷力改變過程起決定性作用，依照ρ確定彈簧剛度，進而測求出符合設計要求的彈簧性能。張開度(h)狀態下閥瓣升力值應高于此時的彈簧力，基于此能測求出最大的彈簧剛度值。

通過公式測算出彈簧剛度值偏低，但基本和理論測算出的彈簧剛度相吻合。表1為閥門喉部處馬赫數，勾畫馬赫數—張開度變化曲線圖見圖4[4]。

表1 馬赫數分析統計表

圖4 馬赫數—張開度變化曲線圖

馬赫數被定義為流場內某位點的速度(v)與該點的當地聲速(c)的比率。馬赫數相對數值越大，提示閥門回座越穩定。馬赫數高，安全閥排放量相應增多，等同于流體介質持有較高流速，且于開口位置介質靜壓值偏低。通過分析本次試驗研究中勾畫出的升力曲線圖與馬赫數圖，能夠估算出閥瓣升力大小的所處范疇，設計人員可以同時參照如上兩個因素，先要保證處于相應張開度周邊，伴隨閥門的閉合過程，介質升力值緩緩增加逐漸高于彈簧力；閥門處于原始張開度時，嚴禁出現介質作用力偏高的情況，當介質作用力＜350kN時，方能更好的維持開關閥閥腔內流量的相對穩定性。

3 探討安全閥閥腔的內部流動特性

3.1 構建閥腔流場模型

圖5是安全閥的三維立體模型，閥腔流場有限元模型見圖6。因安全閥幾何結構均有對稱性特征，故而僅需測算出全安全閥模型的1/2。安全閥內部流動隸屬于三維湍流流動，其通用調控方程可用式(2)表示[5]：

式中：ρ為密度為速度矢量；φ為廣義變量；Γ為廣義上的拓展系數；S為源項。

圖5 安全閥的三維立體模型圖

圖6 閥腔流場有限元模型圖

3.2 解讀閥腔流場與溫度場

擬化分析入口壓力、張開度指標不同的工況下安全閥的流場與溫度場。當閥瓣張開度為0.5m時，入口處的壓力值偏高，閥瓣周邊區壓力最低，閥瓣下游區域壓力較低。而對流體速度分析后發現，其于下閥瓣底端最小凹槽截面位置抵達峰值，且伴隨入口壓力上升過程有持續增加趨勢，最大速度能夠抵達80m/s。

當張開度為2.0mm、2.5mm的后期處理情況以此類推。對后處理結果加以分析后，我們發現當閥瓣張開度為2.0mm時，入口于下閥瓣最底處壓力達到峰值，下游區段壓力整體偏低。于閥瓣底端最小凹槽截面與導向套筒斜面位置，流體速度值均偏高，并且伴隨閥瓣張開度增加過程也有上升趨勢，張開度最大時流體速度抵達峰值，為86.1m/s，下游區段速度偏低。張開度為2.5mm時，下閥瓣最底端壓力達到峰值，下游區壓力偏低。在下閥瓣底端導向套筒斜面位置流體速度偏高，且速度指標和張開度大小之間存在正相關性，張開度最大時，流體速度也最大，為88.1m/s，下游區段內流體速度偏低[6]。

3.3 分析影響安全閥閥腔流量的因素

圖6為不同壓力條件下安全閥的流量波動趨勢仿真曲線，橫軸代表的是安全閥不同開口度。分析圖6后，我們可以斷定安全閥流量值和開口度大小之間存在正相關性。圖7是當安全閥開口度全開時質量流量波動趨向仿真曲線圖，橫軸對應的是安全閥入口持有的不同壓力。經分析后認為，伴隨壓力值的增長過程，安全閥的質量流量也有逐漸提升的趨勢。

圖6 開口度不同下的質量流量改變圖

圖7 全開時不同入口壓力下的流量改變圖

導向套開槽規格、導向套筒斜面成角、入口閥座內徑三因素均會對安全閥的壓力場、速度場和受力屬性形成一定影響。本文側重將導向套開槽規格為實例，如表2闡述在閥瓣整體張開時開槽寬度、高度對受力、流量和流場的影響狀況。統計閥門全開時開槽規格變動時流量、閥瓣軸向力數據，當入口壓力值等同時，開槽寬度對流量形成微小的影響，此時高度是影響流量的主要因素，伴隨開槽高度提升過程，流量值有所提升，比如當入口壓力是2.895MPa時，高度提升40%，流量增幅將會達到29.2%。

同樣的原理，我們能推導出導向套筒斜面角對流量值形成的影響基本上呈現出線性改變趨勢，入口被定義為排放壓力之下，當斜面角有50%的改變幅度時。質量流量將會有17.1%的增長幅度，角度對軸向力指標大小形成的影響有持續增加趨勢，當角度增長50%時，能使軸向力有21.6%的增幅，由此可見角度對軸向力形成的影響偏大。伴隨傾斜角度的拓展過程，最大速度呈現出先減后增的變化趨勢，而最大壓力值的變化鬼羅剎相反，即先增后減。本文還研究了入口閥座內徑對安全閥特性形成的影響，結果發現伴隨內徑值的增長過程，質量流量與軸向力都有不斷降低趨勢，比如當入口是2.895MPa時，內徑增長四分之一時，質量流量降低7.1%，軸向力降幅達到11.4%。伴隨內徑擴增過程閥腔內流動的壓力與速度最大值都有不斷增長趨勢，在入口區段壓力與速度分布層次性逐漸模糊化[7]。

4 結語

本文基于理論分析與方針結果分析，作出如下幾點結論：

(1)通過解讀安全閥閥腔流場持有的特性，勾畫出閥瓣的升力曲線圖，證實了彈簧實測剛度和理論剛度相一致。

表2 導向套開槽規格改變時流量與軸向力統計表

(2)解讀了導向套開槽規格、導向套筒斜面角及入口閥座內徑對質量流量形成的影響，作出如下總結：開槽規格對流量值形成的影響偏小、斜面角對流量形成的影響大體呈現出線性改變，伴隨入口內徑擴增過程，流量和軸向力值均有不斷跌落趨勢。