穩壓器噴淋閥碟簧受力分析及其結構優化*

許家祥,方 力,管桉琦,錢錦遠*

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

0 引 言

穩壓器噴淋閥是調節壓水堆核電站一回路內壓力的首要設備,具有非常重要的作用。

穩壓器噴淋閥位于穩壓器噴淋系統,其進口與反應堆冷段相連,出口與穩壓器相連[1]。其主要功能是通過調節注入穩壓器上部蒸汽空間的一回路冷段水的流量,以調節穩壓器上部蒸汽空間的冷凝量,進而實現穩壓器的壓力控制。作為調節壓水堆核電站一回路內壓力的首要設備,穩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形球閥式穩壓器噴淋閥憑借其流阻小、流通能力大的優點,以及其近似等百分比流量特性曲線,在國產第三代大型先進壓水堆核電站中應用最為廣泛[3]。

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

目前,某核電站穩壓器噴淋閥運行存在流體流動不穩定等情況,主要表現為:在小開度下,實際流量異常波動并增大;檢修后發現,其密封環斷裂、碟簧斷裂。筆者判斷原因可能為:密封失效情況下,碟簧兩側受到不同大小的流體力作用,導致碟簧被擠壓并進行往復運動,最終失效斷裂。因此,有必要對穩壓器噴淋閥小開度下的碟簧受力進行研究。

對于穩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]采用數值模擬與理論計算的方法,分析了穩壓器噴淋閥的流量特性,并研究了流量系數與流通面積的關系。VALDéS J R等人[5]采用實驗和數值模擬相結合的方法,研究了V型球閥的雷諾數與空化數、流量系數的關系。TAO Jun-yu等人[6]利用實驗和數值模擬的方法,研究了V型球閥的流動特性,并擬合了流量系數與開度、V形切口角度的關系式。馬傳京[7]利用實驗和數值模擬的方法,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]結合試驗與仿真的方法,對閥門的流量特性進行了研究,結果發現,小尺寸閥芯形面的微小變化會對閥門的流量特性產生較大的影響。

對于穩壓器噴淋閥運行過程中的失效研究則主要集中在調節失效與密封泄露方面。

張翔[9]論述了穩壓器噴淋閥連續噴淋流量的調節方法,并針對穩定時間不足、初始閥門開度預設較大等問題,分別提出了相應的應對措施。涂一等人[10]根據填料計算式,經分析得出了穩壓器噴淋閥填料損壞的原因,并提出了改進建議,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行了研究,結果發現,在不適當的極化噴淋過程中,噴淋閥會出現閥座磨損的現象,最終導致內漏。

也有不少學者針對碟簧進行了相關研究。

彭新英等人[12]運用理論計算、有限元數值模擬、實驗測試相結合的方法,對非標碟簧進行了選型設計,并進行了球閥密封性實驗,通過實驗驗證了所選碟簧的適用性。FAWAZI N等人[13]提出了一種改進的考慮徑向撓度的碟簧載荷位移預測計算方法,采用該方法可以使預測結果更加合理實用。KARAKAYA[14]采用有限元分析法,對不同截面和混合類型的碟簧進行了壓縮分析,并確定了最佳的碟簧類型。

碟簧在運行過程中出現的斷裂失效[15]也是不少學者研究的重點。

PAL U等人[16]為了延長碟簧的使用壽命,通過優化其錐體的高度,達到了延長碟簧使用壽命的目的。DHARAN C K H等人[17]分析了環向應力引起的碟簧徑向斷裂問題,結果發現,采用復合材料可以完美替代鋼制碟簧,并顯著降低碟簧的質量。羅慧琪等人[18]對斷裂的倒擋碟簧進行了各項檢查,結果發現,其折疊處產生的應力集中效應,會導致倒擋蝶形彈簧疲勞斷裂。胡文盛等人[19]針對某核電廠穩壓器噴淋閥的碟簧斷裂問題,采用多項測試的方法進行分析,結果發現,碟簧發生斷裂的主要原因是其熱處理工藝不當。

目前,國內外對穩壓器噴淋閥和V型球閥的相關研究重點集中在流量特性,對于閥門運行過程中閥內件力學特性研究較少。

為此,筆者采用數值模擬方法,在密封失效情況下和不同壓差工況下,探究閥內流場變化及碟簧受力情況;并針對碟簧兩側壓差過大問題進行結構優化,以期為穩壓器噴淋閥的碟簧選型及結構設計優化提供參考。

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型球閥式穩壓器噴淋閥幾何與流道模型

由圖1可知:該穩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,使得介質可以流經閥座與閥體之間的間隙。

1.2 網格劃分

筆者采用混合網格對流道模型進行了網格劃分:采用結構化網格劃分進出口管道,采用非結構網格劃分閥體內部;同時,筆者對間隙流道以及V形切口區域進行加密處理。

網絡劃分結果示意圖如圖2所示。

圖2 網格劃分示意圖

為了降低網格數目對計算結果的影響,筆者進行了網格無關性驗證。

網格無關性驗證結果如表1所示。

表1 網格無關性驗證

由表1可知:當網格數目超過3.6×106時,能夠保證數值模擬的精度。此處采用的模型網格數均超過3.6×106。因此,可以保證數據模擬精度要求。

數值模擬所采用的介質為常溫液態水;進口邊界設為壓力入口;出口邊界設為壓力出口,壓力設置為15.4 MPa(這一數據來自于某核電站穩壓器噴淋閥實測數據);閥門開度為9開度(該開度為某核電站穩壓器噴淋閥正常工作開度)。

由于流體在閥門內會產生湍流,因此,筆者在此處采用標準k-ε模型,壁面采用標準壁面方程,壓力與速度耦合采用SIMPLE算法,梯度項采用least squares cell-based。同時,為了保證計算的精度,其余項均以二階迎風格式離散。

1.3 數值模型驗證

調節閥[20-21]的流量系數是用來衡量調節閥流通能力的重要指標,常用符號KV來表示。

流量系數的定義為:當調節閥進出口壓差為0.1 MPa,介質為常溫(5 ℃～40 ℃)液態水時,每小時流經調節閥的介質的體積,其單位為m3/h。

流量Q具體可以由下式計算得到:

(1)

式中:ξ為調節閥的阻力系數;Δp為進出口壓差;r為重度。

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

筆者利用數值模擬方法,得到1 MPa下穩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。而筆者根據穩壓器噴淋閥實驗報告,得到噴淋閥實際最大開度下的流通能力KV為125。

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

同時,筆者查閱相關文獻發現,楊佳明等人[4]將數值模擬得到的閥門各開度下的流量系數與實際工況下測得的各開度下的流量系數進行對比,驗證了相關數值模型的準確性。

綜上可知,上述數值模擬的結果是可靠的。

2 數值模擬及分析

筆者研究的穩壓器噴淋閥允許工作壓差為0.5 MPa,但實際運行中發現存在超壓情況,這可能是導致閥內密封環斷裂以及碟簧斷裂的原因。

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

2.1 不同壓差下閥內流場特性

不同壓差下噴淋閥閥內流場流速分布情況,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:閥內流體速度主要變化區域為V形槽區域。流體在進入V形槽口前會有一段加速區域,在V形槽口處達到流速最大值;之后,流體離開V形槽口,速度逐漸減小,形成一塊減速區域。這是因為流體經過V形槽口處,受到節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重影響;

根據流線分布可以看出:流體經過閥芯后存在漩渦,這是因為節流槽處流速較大,離開節流槽口時形成射流,而另一側處流體流速較小,壓力較大,導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,閥內速度也進一步增加,渦旋范圍增加,閥內流體狀態更加復雜;

間隙流道的流速一直保持較小的值,與入口流速保持一致,這是因為此時的介質流道為V形槽口,介質通過間隙流道后會被碟簧阻斷,所以間隙流道流速穩定,且流速很低。

不同壓差下的閥內壓差分布如圖4所示。

圖4 不同壓差下流場壓力分布

由圖4可知:閥內壓降主要產生在V形槽區域,壓降區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域會出現壓力小于出口壓力;并且,隨著入口壓力的增加,最小壓力值也會不斷下降。這是因為給定固定開度及進出口壓力時,閥內要產生更大的壓降來適應壓差的增加。

因此,對于不同壓差,噴淋閥應當采用相應開度,以達到更好的降壓效果。間隙流道的壓力與入口壓力保持一致,這是因為間隙流道并未與出口側連通,介質沒有壓力釋放通道,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部承受流體壓力的兩個側面。

筆者在Fluent提取2個受力面數據,經整理,得到不同壓差下,噴淋閥碟簧兩側的受力數據,如表2所示。

表2 不同壓差下碟簧兩側受力數據

不同壓差下,碟簧兩側受力數據分析圖如圖6所示。

圖6 不同壓差下碟簧兩側受力數據分析圖

表2和圖6反映了在密封失效的情況下,穩壓器噴淋閥碟簧兩側的受力情況:

入口側受力接近入口壓力,出口側受力接近出口壓力,因此,兩側差值也接近進出口壓差,并隨進出口壓差呈現線性關系。

以上結果說明,在密封失效情況下,小開度下進出口壓力過大會導致碟簧兩側壓差過大。

要判斷碟簧是否會因為兩側壓差較大而被擠壓,需要對碟簧進行受力分析。又因為只需要計算碟簧被擠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。

模擬結果顯示,此時壓力為0.24 MPa,這說明當碟簧兩側壓差超過0.24 MPa時,碟簧會被擠壓而最終脫離閥體。

根據分析可知,在密封失效的情況下,碟簧進出口側壓差接近于閥門進出口壓差,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壓差過大而被擠壓,從而導致往復運動失效的情況。

3 碟簧受力實驗

針對碟簧受力情況,筆者進行了相關的實驗研究。實驗裝置示意如圖8所示。

圖8 實驗裝置示意圖

圖8的實驗步驟為:

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

實驗結果表明:當壓差達到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。

該實驗結果與上述數值模擬結果(0.24 MPa)一致,也進一步驗證了該數值模擬結果的準確性。

筆者根據模擬以及實驗結果,判斷在工作壓差下存在碟簧兩側壓差過大被擠壓的情況。

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

這兩種情況都會導致碟簧進行往復運動,并產生疲勞失效,嚴重影響了碟簧及穩壓器噴淋閥的使用壽命。因此,有必要針對這一情況進行結構優化。

4 結構改進及效果分析

為了解決噴淋閥碟簧兩側壓差較大的問題,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流體流通,因此不存在碟簧兩側壓差過大的情況,并且波形彈簧具有強度高、柔性好、耐沖擊力強等優點,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壓器噴淋閥進行模擬分析,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中波形彈簧兩側壓力(其中,入口側平均壓力為15.6 MPa,出口側平均壓力為15.1 MPa,兩側壓差為0.5 MPa)。雖然其仍然存在壓差,但相比碟簧的1 MPa,壓差已經得到了明顯的改善。

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

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 結束語

由于目前針對穩壓器噴淋閥和V型球閥的相關研究重點集中在了流量特性上,對于閥門運行過程中閥內件力學特性研究較少。為此,筆者采用數值模擬方法對密封失效情況下的碟簧受力情況進行了仿真分析,采用相關實驗對模擬數據進行了驗證,并針對碟簧兩側壓差較大問題提出了改進措施,對優化效果進行了模擬驗證。

研究結果表明:

1)隨著壓差的增大,穩壓器噴淋閥內速度也會進一步增加,且最高流速總是出現在V形槽口處;隨著壓差增大,穩壓器噴淋閥內壓降會進一步增加,閥內最小壓力也進一步下降,且最小壓力總是出現在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象持續存在,從而使碟簧進行往復運動,并產生疲勞失效,嚴重影響碟簧及穩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壓差過大問題,但是需要對波形彈簧力進行精確計算,在保證穩定性的同時,避免預緊力過大而導致球體密封過度磨損情況的發生。

目前,筆者只使用模擬方式對波形彈簧的優化效果進行了驗證,且波形彈簧代替碟簧還具有一定局限性。因此,在后續的工作中,筆者將研究其他結構優化方式,并搭建物理實驗臺對其優化效果做進一步的驗證。