核级高压气体减压阀设计与试验.pdf

作者简介:张正春()男上海人高级工程师从事阀门的设计与研发工作通讯作者:石红()女吉林松原人高级工程师研究方向为民用核安全设备评审文章编号:()核级高压气体减压阀设计与试验张正春石 红(.上海艾维科阀门股份有限公司上海.生态环境部核与辐射安全中心北京)摘要 介绍了抗震 类核级高压气体减压阀的理论计算、结构设计、抗震分析和试验方法 对于非标准压力 温度等级工况根据 .标准采用矩阵插值法计算得出中间压力磅级标号和常温下水压试验压力通过插值法计算阀体最小壁厚值 根据气体质量流量方程和临界压力比计算不同减压比下的最小阀座流通面积 采用双级并联和模块化单元设计并将气体高压进行优化分级减压处理保持高压差工况下减压性出口压力稳定 利用 有限元软件对阀门进行模态分析和强度计算并根据 规范对计算结果进行应力评定 根据核级减压阀的技术规范和鉴定大纲要求自主设计与构建减压阀气体测试装置并编制试验规程完成各项型式试验项目 为核级高压气体减压阀的安全应用提供了保证同时为类似核电阀门产品的设计开发提供参考关键词 核级高压气体减压阀理论计算结构设计抗震分析减压性能测试装置中图分类号:文献标志码:(.):.:阀 门 年第 期 概述减压阀在各类工业流体输送管道系统中应用较为广泛能够将上游高压减压至合适的下游低压以满足生产工艺需求并且通过压力反馈使出口压力保持稳定 目前某核电站国家科技重大专项示范工程应用一种核级高压气体减压阀其上游进口压力为 下游出口压力要求稳定在 最高进口压力与出口压力相差 倍进口压力变化范围相差 倍该工况恶劣严重偏离正常应用范围 鉴于核电站特殊的工作环境该减压阀还要求具备在 地震条件下抗震能力抗震分类为 级 该阀门应用领域特殊安全性要求较高不能简单应用常规减压阀需进行特殊设计和全面验证方可投入运行否则会影响减压阀的基础性能和循环寿命甚至会造成较大的生产安全事故 目前该阀依赖进口技术处于国外垄断状态国内应用(价格服务)受限被动按照 规范设计了国产抗震 类核级高压气体减压阀对该阀进行了理论计算、结构设计、抗震分析和试验验证 首先根据 标准采用矩阵插值法将工况压力和温度进行插值计算得出中间压力磅级标号和常温下水压试验压力并且通过插值法计算阀体最小壁厚值然后根据气体质量流量方程和临界压力比计算不同减压比下的最小阀座流通面积 接着优化结构设计采用双级并联和模块化单元设计将进口大跨度高压差气体进行分级减压处理使减压阀出口压力保持稳定 考虑抗震要求本文采用 有限元分析软件对阀门进行模态分析和强度计算并根据 应力评价规范对危险点处的应力进行评定 最后根据核级减压阀的技术规范和鉴定大纲要求自主设计与构建减压阀气体测试装置编制试验规程完成各项型式试验项目 通过以上技术措施保证了核级高压气体减压阀在宽压差工况下运行的安全性和可靠性 参数要求根据技术规格书本核级高压气体减压阀的技术要求如下:核安全分级 设计规范等级 抗震类别 阀体材质 压力等级 设计压力 /工作介质压缩空气流动方向流开上游压力范围 减压定值 额定流量 /技术关键点是在进口宽压差的范围内阀门出口处的压力应得到并维持恒定的设计值精度为 减压阀应防止失效状态下完全关闭失效状态下减压阀出口压力应限制在 以下阀门的抗震性能满足 地震工况 结构设计核级高压气体减压阀(图)的结构方案为阀体上设有两级减压阀单元分别为第一级减压阀单元和第二级减压阀单元 阀体的一侧设有进口腔另一侧设有出口腔第一、第二级减压阀单元之间通过中间流道相连通 第一级减压单元从上至下依次由保护罩、调节螺杆、主弹簧、阀杆、活塞、活塞缸、阀座、下弹簧等零件组成 活塞缸固定于阀体内阀杆和活塞通过螺母锁紧组成整体在活塞缸内上下往复运动 阀杆下端设置副弹簧起辅助支撑作用 活塞上方设置主弹簧调节螺杆通过联接螺纹和弹簧座向主弹簧施加调节压力 第二级减压单元与第一级减压单元结构相同图 减压阀结构形式 动作原理核级高压气体减压阀的动作原理见图 第一级减压单元调试时先旋转调节螺杆弹簧座下行压缩主弹簧推动活塞下移活塞带动阀杆打开阀座口(介质流道口)介质气体进入活塞缸腔体(中腔)经阀座口流入第一级出口(下腔)气体经内部流道分两路分别流入第二级进口和第一级活塞腔(上腔)进入第一级活塞腔气体将第一级的出口压力作用于活塞与第一级主弹簧弹力进行比较使第一级减压单元阀芯保持动态或静态平衡维持第 年第 期阀 门一级减压单元出口压力的预定值 当第一级出口压力波动时其波动值产生的压力将打破平衡状态带动活塞组件移动进而减小或增大阀座口的过流面积造成出口压力的变化反向削弱波动压力的影响稳定第一级减压阀单元设定的出口压力值图 减压阀作用原理图同理进入第二级减压单元的气体重复第一级减压单元的作用原理将第二级出口压力稳定在目标设定值具体实施时需一二级减压阀单元需相互配合组合调试 先将一级减压阀单元固定在低压范围内 调节第二级减压单元出口压力 缓慢升高进口压力至 同时调节第一减压单元使得出口压力维持在设定值 调定后做全压范围动作试验观测出口压力的变化如个别压力区域超值在许可精度范围内微调一级或二级减压单元最终完成出口设定压力值调试 结构特征()双级并列结构设计核电高压气体减压阀采用两级减压阀结构(见图)分级降压 第一级减压阀单元与管道进口腔相连第二级减压阀单元与管道出口腔相连第一、第二级减压阀之间通过阀体内部中间流道相连通 根据高低压分配一级减压单元采用高刚度弹簧 密封阀座快速将高压粗调至中间压力值 二级减压单元采用高精度低刚度弹簧密封阀座能够快速响应压力变化并做出反馈将出口压力稳定在设定值 弹簧采用 沉淀硬化型不锈钢材料具有较高的疲劳极限、足够的冲击韧性及良好防腐蚀性能本阀两级减压单元左右并列位于阀体上部空间高低压联合调节机构均在管线上部操作调节维护简单方便同时节约管线空间()单元模块化结构设计核电高压气体减压阀一二级减压单元均设计成整体结构(见图)模块化操作即在线下组装成单元整体后线上可整体装入阀体也可整体取出极大方便了减压阀的在线更换和维护特别适用于安装空间小、可视性差的场合 每级减压单元线下组装成整体后可以直观检查零部件间联接可靠性、活塞往复运动的灵活性、阀座接触面的完好性和内外密封圈的润滑状况经严格质量检查合格方可装入管线大大提高了减压阀的运行可靠性和稳定性对比分散式安装和维护其时间成本、安装精度和运行稳定性等方面具有明显优势图 单元化结构图()整体化结构设计为减少漏点、避免泄漏、提高阀体整体强度本核级高压气体减压阀的阀体采用整体优化设计 其锻件外表面无任何外置多余接口平整光滑简洁美观(见图)通过 优化设计将原先下装式结构转化成上装式去除底盖填料等零部件封闭下开口彻底消除下底盖密封失效泄漏问题 通过三维建模利用阀体上平面较大的螺纹安装孔以及进出口通孔在阀体内部构建斜置流道孔经三维放样干涉检查由数控加工中心完成精密加工 该设计避免了直接在阀体侧面横向开孔后留下工艺堵头而导致外泄漏的风险 同时保留了阀体侧壁的完整性避免了工艺孔对阀体整体强度的削弱带来的不良影响()流开型设计为防止减压阀在失效状态下完全关闭(主要是主弹簧失效)本减压阀采用流开型结构设计(见图阀 门 年第 期)流开型设计时由于中腔处阀杆台阶面上下受力面积相等受力方向相反力的作用相互平衡抵消故进口压力对阀杆组件运动几乎没有影响 当活塞上方弹簧失效时阀杆组件在下弹簧弹力及出口背压共同作用下(力)向上移动减小阀座口开度流量逐渐减小 因阀座密封需要一定的比压而 力相对较小不能提供足够的密封力故阀座口不会完全关闭保留一定细微开度此时出口压力远远小于设定值 满足失效工况下的下游压力预设值为小于等于 的技术参数要求 对比流关型结构(见图 右侧)当弹簧失效时阀杆组件在进口压力高压 作用下完全关闭不满足参数要求 故流开型设计是本阀相对于工况要求而具备的重要特征图 阀门外形图图 流开型结构图 设计计算 中间压力磅级计算本核级高压气体减压阀技术规格书参数要求:压力等级 设计压力 /不属于 中标准压力磅级无法应用 中表 及强制性附录 得出最小壁厚值 必须按附录 中 和 的插值方法将设计值 /进行插值换算成中间压力磅级进而换算求解阀体最小壁厚值以及常温下水压试验压力根据 表 第 组材料额定值()构造压力 温度矩阵(见表)表 压力 温度矩阵按压力磅级表示工作压力()温度()表中 实际温度 (已知)实际工作压力 (已知)磅级时 时的工作压力 磅级时 时的工作压力 压力 时的磅级额定等级(磅级标号)磅级额定等下 温度时压力额定值计算公式如下:.(.)().(.)()()().(.)()通过矩阵差值计算得出中间压力磅级 常温水压试验压力 最小壁厚计算阀体的最小壁厚需符合 表 对于中间压力磅级的最小壁厚同样使用插值法求得 根据 表 构造压力磅级 直径矩阵(表)年第 期阀 门表 压力磅级 直径矩阵压力磅级表示的最小壁厚()磅 磅表中 中间压力等级(磅)(见 求解)需求解最小壁厚值 内径(设计给定)查表 表 中数据 查表 表 中数据 磅/时的最小壁厚 磅/时 的 最 小 壁 厚(查 表 表)磅/时 的 最 小 壁 厚(查 表 表)磅/时的最小壁厚 磅/时 的 最 小 壁 厚(查 表 表)磅/时 的 最 小 壁 厚(查 表 表)计算公式如下:()()()()()()阀体内孔 大小不等根据图纸尺寸按以上公式计算求解不同区域的最小壁厚实际壁厚附加一定的设计裕量 阀座流通面积计算本核级高压气体减压阀上游压力范围 下游设定值 额定流量/阀座流通面积与临界压力比 有关当减压阀比 和 时分别应用不同的计算公式 实际运行时由于阀前压力变化范围大第二级减压阀单元减压阀比 在临界压力比 点波动因此须对第二级阀座口面积分两种工况进行计算结果取大值 第一级取 工况公式如下当.()()当 .()式中 主阀的流通面积 质量流量/体积流量 /(已知)气体密度/临界压力 (双原子气体空气、煤气等)等熵指数 取 流量系数 (空气)减压阀的进口压力 减压阀的出口压力 工况减压比(设计给定)重力加速度 /进口处流体在进口绝对压力下的比体积/抗震分析本核级高压气体减压阀设备抗震分类 级要求能在 地震运动水平下安全运行在正常、异常、紧急和事故工况下能够保持结构完整性并实施功能本文利用 有限元分析软件对阀门进行模态分析和强度计算并根据 应力规范对危险点处的应力进行评定验证在规定载荷作用下是否满足 规范对其强度的要求()材料特性本阀主要由阀体、阀盖、阀杆、阀座、调节螺杆、活塞缸、活塞等组成结构图如图 所示 依据 第 卷 篇的要求分析选用的材料参数选取设计温度()下材料的物理性能和基本许用应力作为材料参数的输入见表()阀门载荷和组合准则该阀门的计算载荷包括自重、内压、接管载荷、地震载荷 按照 核设施部件建造规则和技术规格书附录 中规定的各工况下的载荷条件和载荷组合准则将具体的工况以及相应阀 门 年第 期的载荷组合与准则级别列于表 表 阀门材料参数材料弹性模量()密度(/)屈服强度()许用应力()备注 阀体/阀盖 阀杆 活塞/活塞缸 调节杆等表 载荷条件和组合准则工况类型载荷类型自重内压接管载荷地震扭矩正常工况异常工况/紧急工况 事故工况 ()验收准则经对正常、异常、紧急、事故工况进行综合分析本文取事故工况载荷和正常工况评定准则进行包络可覆盖各种工况分析满足评定要求见表 表 包络工况和评定准则工况类型载荷类型自重内压/()接管载荷/()地震扭矩/()包络工况 (见图)评定准则(或)()有限元模型的建模方法本文采用体单元对阀体、阀座、阀盖、弹簧座、阀杆、调节螺杆、活塞缸、活塞等进行有限元离散化弹簧等其他附件及阀门中的介质作为附加质量均布在模型中 阀门整体结构的有限元模型如图 所示 在各部件的接触面约束中阀杆与活塞缸、活塞与活塞缸之间采用不分离约束其余各零部件采用绑定约束 在有限元分析模型中为避免刚体位移对减压阀阀体进口端设置固定约束 在阀体出口端按照最不利原则施加接管载荷内压则施加于阀门承压边界处重力加速度根据要求施加在 轴方向三个正交轴向同时施加 地震载荷 载荷及边界条件施加如图 所示()模态分析对模态分析的有限元模型采用四面体网格划分共生成 个节点 个单元 模态分析中采用保守计算方法在该减压阀阀体的进口端端面设置固定约束限制其所有的自由度出口端设为自由端 对减压阀进行模态分析获得固有频率和振型提取阀前 阶固有频率如表 所示可以看出阀门整机的固有频率均大于 因此可采用等效静力法计算地震载荷引起的应力阀门的一二阶模态见图 与图 图 有限元模型图 阀门边界条件施加图表 前 阶固有频率表阶次固有频率()阶次固有频率()()应力计算与评定结果采用等效静力法对核级高压气体减压阀进行抗震分析在包络工况载荷(内压、重力、接管载荷及 地震载荷)作用下阀门的应力分布云图如图 图 所示结果显示包络工况下各部件的应力均小于规定限值满足 规范及技术规格书的抗震要求 试验内容和方法根据鉴定要求本核级高压气体减压阀的型式试验内容包括壳体水压试验关闭试验阀座密封 年第 期阀 门试验调压(动作)试验寿命试验动态特性探测振动老化试验静载试验 动态抗震试验图 阀门结构第一阶模态图 阀门结构第二阶模态图 阀体及阀盖应力强度试验项目分配为壳体水压试验、关闭试验、阀座密封试验、调压(动作)试验、寿命试验(万次)在厂内完成抗震试验(动态特性探测、振动老化试验、静态加载试验、动态抗震试验)委托专业第三方苏州苏试广博环境可靠性实验室有限公司完成对于壳体水压试验、关闭试验由公司内部 高压水压试验台完成 而对于阀座密封试验、调压(动作)试验、寿命试验由于涉及 的高压气体目前国内暂无对应的试验装置本单位参照 核级减压阀研制任务书以及国标/减压阀性能试验方法设计构建了高压类气体测试装置并制定了企业标准/一种高压气体测试装置来指导核级高压类气体减压阀的试验 利用本装置可以完成核级高压气体减压阀的阀座密封性能、动作性能以及循环寿命试验的测试图 阀杆应力强度云图图 活塞缸应力强度云图图 其他部件应力强度云图本试验装置由空压机、储气罐、压力调节阀、数阀 门 年第 期字压力表、数字流量计、电磁阀、数显计数继电器、数显时间继电器、交流继电器、电控箱、气动阀、截止阀、水槽、无缝钢管、软管等组成(图)压力调节阀安装于管路上游入口用于控制被测阀门进口端的压力高低压数字压力表分别安装于被测阀门的前后端测量被测阀门前后端的压差数字流量计安装于被测阀门下游用于检测被测阀门出口端的流量气动球阀可以快速切断与接通气体管路气缸侧壁安装电磁阀电磁阀与配电箱的数显时间继电器和数显计数继电器联动用于检测被测阀门启闭动作的次数水槽的设置主要用来检测被测阀门的密封性能图 高压试验装置 本装置空气压缩机的出口压力不低于 容积流量不低于 /出口气源需清洁气压罐的容积一般不应小于 可以多罐组合以保证试验中流量稳定高压类数字压力表的量程应满足 精度等级不低于 级低压类数字压力表的量程应满足 精度等级不低于 级被测压力值应该在压力表量程的 范围内数字流量计的量程应满足流量 /工作压力 精度等级不低于 级防护等级不低于 数显时间继电器需满足计数范围 工作电源应 带复零功能电磁阀应选用二位五通阀防护等级不低于 工作电源应 试验前首先对测试系统加压做气体强度检查合格后做减压阀的性能试验 强度试验时缓慢升压至试验压力 稳压 在压力试验持续时间内观察压力表的变化观察管路的形变利用涂刷稀释的洗涤液检查管路有无气泡溢出阀门密封性能试验时将装配好的减压阀装入试压设备 调节减压阀主弹簧处于自由状态 关闭测试装置出口截止阀 通过管路前置压力调节阀从进口处向阀门分别施加 和 工作压力(最低最高进口压力)调节减压阀的主弹簧使出口压力为 高低压各保持试验压力 测定并记录减压阀后压力表的升值进而判断核级气体减压阀的严密性阀门动作性能试验时将阀门固定于气体试验台架上使弹簧处于自由状态 调节阀门上左右弹簧及阀门进口气压使得进口压力 范围内出口压力稳定在 (偏差按规范要求)同时满足设计流量要求 保持阀门调节杆位置固定仅通过管路前置压力调节阀改变进口压力 观察出口压力的偏移值是否在精度范围内重复调节 次阀门寿命循环试验时将阀门固定于气体试验台架上调节好动作压力将测试管路的电磁阀与计数器联动并设点好计数次数 运行管路通过气动球阀进行阀门的开关动作到达计数次数后停止气动球阀的动作对阀门做常规动作性能试验和密封试验检查满足要求后继续下一周期的循环试验直至完成寿命试验的次数(万次)本试验装置通过了上海市质量监督检验技术研究院的检测完成了核级高压气体减压阀的各项功能鉴定试验试验数据得到了客户的确认和肯定 总结本文针对一种应用于特殊高压差的核级高压差 年第 期阀 门气体减压阀进行了理论计算、结构设计、抗震分析并根据核级减压阀的技术规范和鉴定大纲要求自主设计与构建减压阀气体测试装置编制试验规程完成各项型式试验项目确保了核级减压阀应用的安全性和可靠性本核级减压阀解决了核电领域国外设备价格昂贵、供货成本高、交货不及时、服务响应慢及技术封锁等“卡脖子”问题满足国家重点工程关键设备国产化的战略需求 本文所述设计理念和试验方法亦可为类似核电阀门产品的设计开发提供参考参 考 文 献 国家地震局.核电厂抗震设计规范.中国计划出版社.核电厂质量保证安全规定.核设备抗震鉴定试验指南.核电厂用能动机械设备的鉴定.锅炉与压力容器规范第 卷 篇性能.(版 补遗)核设施部件建造规则./压水堆核电厂阀门第 部分:应力分析和抗震分析./减压阀一般要求./减压阀性能试验方法.陆培文.实用阀门设计手册(第 版).北京:机械工业出版社.陆培文孙晓霞杨炯良.阀门选用手册(第 版).北京:机械工业出版社.杨源泉.阀门设计手册.机械工业出版社.王文斌.机械设计手册.北京:机械工业出版社.王新敏.工程结构数值分析.北京:人民交通出社.李仕帅.核级阀门强度计算方法的比较分析.哈尔滨工程大学.杨仁安赵国玺.核电站 级设备的抗震鉴定试验.核动力工程():.核级减压阀研制任务书.上海核工程研究设计院有限公司.核级减压阀设备鉴定要求.上海核工程研究设计院有限公司.(收稿日期:)上接(第 页)结语文章通过一种新型高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的结构设计、技术改进、试验验证得出以下结论:()不锈钢空气夹套保护罩降低了外界温度对阀片开关动作的影响解决“空打现象”及不关阀问题同时有效地避免了空气气堵()形凹槽增加了阀片的顶升力进而增大了阀片的开度提高了疏水阀的排量()阀座上端面设置环形槽配合槽内均匀布置三个出水孔增大了开阀力与凝结水的排量确保阀片平稳升降()小的启闭行程提高了凝结水的过冷度有效地控制了蒸汽泄漏造成的损失保证了阀片启闭动作的可靠性()通过试验验证了疏水阀各种参数符合/蒸汽疏水阀的技术条件并测得了工作压差下的排量为选型提供了参考参 考 文 献肖洪清.疏水器国内外综述.化工装备机械():.(日)中井多喜雄.蒸汽疏水阀.李坤英译.北京:机械工业出版社.刘金海.一种高温高压热动型蒸汽疏水阀:.将兴可.蒸汽疏水阀.北京:纺织工业出版社.陆培文.实用阀门设计手册.北京:机械工业出版社.单文嘉.关于热动式、热静式蒸汽疏水阀的型式试验.阀门():.刘方成.热动力式疏水阀的工作原理及计算.化工与通用机械():.曹伟武赵在三王政伟.热动力式疏水阀漏汽率的研究.上海机械学院学报():.张善道.热动型圆盘式蒸汽疏水阀的性能与使用.上海节能():.王治业.新型热动力式疏水阀.煤矿设计():./蒸汽疏水阀 试验方法.中国:中国国家标准化管理委员会./蒸汽疏水阀 技术条件.中国:中国国家标准化管理委员会.(收稿日期:)阀 门 年第 期