C3/C4上充流量调节阀的设计与验证

C3/C4上充流量调节阀的设计与验证

郭雄雄 1 付东革 2

1. 上海自动化仪表有限公司自动化仪表七厂 崇明 202150

2.中国核电工程有限公司 北京 100840

摘要:C3/C4上充流量调节阀是核电站化学与容积系统中极其的重要组成部分，此阀负责调节上充流量，使稳压器的水位处于程控液位，并在一回路出现小破口事故时，确保作为安注泵使用的上充泵的流量能够顺利进入一回路。本文介绍了C3/C4上充流量调节阀的设计过程、设计特点以及试验方案。

关键词：核电、C3/C4、上充流量调节阀

一、概述

C3/C4上充流量调节阀是根据我厂引进国外技术并消化吸收后开发的产品。该调节阀由ΣF侧装式气动薄膜执行机构和我厂的21000单座阀组成。该调节阀具有结构简单、可靠性高、抗震性好、维修方便、控制精度高的特点，可在小流量频繁运行的的情况下保证阀门的稳定性。该调节阀可被用于石油、化工、电站、冶金、核电等工业生产过程的自动调节和远程控制中。

二、工作原理

C3/C4上充流量调节阀是在球型阀体内装入阀座、柱塞式阀芯以及套筒，通过阀芯作上下运动来改变阀芯与阀座之间的截流面积来实现调节流量的目的，不起调节作用，只是用于压紧阀座与阀体之间的密封垫片以及提供一个流通区域。阀门采用顶端导向结构，增大阀芯部位的导向面积，确保阀芯稳定工作。ΣF侧装式气动薄膜执行机构是常规的弹簧薄膜执行机构与一个力放大系统的组合,它利用杠杆放大原理.使执行机构的输出力放大2.6~5.2倍。阀门结构图见图1。

1.阀体 2.阀座 3.阀芯 4.套筒 5.导套 6.阀杆 7.阀盖

图1 阀门结构图

三、设计参数

设计压力25MPa，设计温度70℃，泄露等级Ⅴ级，关闭压降为20MPa，工作介质为反应堆冷却剂。管道尺寸为φ60.3×8.8mm。

阀门有三个操作工况：最大流量、正常流量、最小流量。运行工况见表1：

表1 阀门运行工况

注:反应堆气动和停堆后期，要求你阀门能通过9t/h的流量，此时压差能达到11MPa维持长期运行，阀门关闭时前后最大压差为20MPa。

四、设计特点

上充流量调节阀的特点是设计压力高，运行压差大，阀门的口径及流量较小，泄漏要求高，且阀门的运行非常频繁。

由于阀门为核电站的一回路供水，因此其设计压力极高，达到25MPa，而且，在反应堆启堆与停堆状态下，还会有一段时间的高压差运行状态。因此，阀门的阀体采用锻件F316材料，根据ASME B16.34以及ASME BPVC—Ⅲ NC3500的要求设计阀门的阀体、阀盖并根据NC3500的要求进行阀体的一次薄膜应力与一次薄膜加弯曲应力计算。主要计算公式如下:

一次薄膜应力校核公式:σ_m=(A_f/A_m+0.5)P_s≤S

A_f:不包括腐蚀裕量的内轮廓有效液压面积；

A_m:不包括腐蚀裕量的内轮廓的作用在A_f上流体的有效金属面积；

P_s:阀体材料的标准计算压力；

S:阀体材料的基本许用应力。

一次薄膜加弯曲应力校核公式：1.5（r_i/T_r+0.5)P_s+P_eb≤1.5S

r_i:阀体拐角区内壁轮廓的外接圆半径；

T_r:阀体拐角区的壁厚；

P_eb:由管道反作用力产生的应力；

P_s:阀体材料的标准计算压力；

S:阀体材料的基本许用应力。

针对阀门在核电站启停堆时有一段时间的高压差工况，阀门的阀芯与阀座均采用表面堆焊司太利合金，以确保阀门在这一段高压差运行工况内能够承受气蚀对阀芯与阀座的影响。

阀门在最小流量与正常流量状态下的流量较小，期中最小流量状态下的Cv值仅为1.862，而安注状态下的Cv值却达到了15.11MPa，为确保阀门在正常流量与最小流量下的阀门开度能够在阀门的最佳运行开度20%~80%之间运行，因此阀门的流量特性曲线选用调节性能较好的等百分比曲线。阀门的流量特性曲线见图2

图2阀门的理论流量特性曲线

阀门的关闭压力达到了20MPa，而且其泄漏等级也较高为Ⅴ级泄漏，同时由于上充流量调节阀需要随时根据核电站稳压器控制系统的变化而改变流量，导致阀门的运行非常频繁，因此阀门所需要的关闭力以及刚度均较大，若使用传统的直装式弹簧薄膜执行机构，执行机构的尺寸将难免会很大，而阀门的口径较小仅为DN40，从而造成阀门出现“头重脚轻”的情况，不利于阀门的抗震性能以及稳定性。针对这一情况，选用ΣF侧装式气动薄膜执行机构做为阀门的执行机构，以此来降低执行机构的尺寸与重量。该执行机构的结构特点在于把执行机构的薄膜式摸头装在支架的侧面，采用杠杆传动把力矩放大，扩大执行机构的输出力，所以是一种增力式执行机构。执行机构的增力原理通过图3可知

图3 执行机构的增力原理图

F1是推杆的水平作用力，F2是摇板连接销作用在连接板上的作用力，F3是连接板对阀杆的作用力。这三个力组成的一个平衡力系，力的关系与位置角度有关。从杠杆原理可知，只要旋转一个角度，就可以使上下方向的输出力F3与原作用力F1的比值增大，最大可达到5.2倍，因此这种执行机构有更大的推力与刚度。

五、试验验证

为了验证C3/C4上充流量调节阀的设计可靠性，我厂对该阀门做了如下实验：

1）固有流量特性曲线试验；

2）基本性能试验；

3）耐压与密封试验

阀门的阀体在设计时，其流道的最大截面采用了我厂原有成熟的铸件阀体流道的最大尺寸，并在此基础上设计了阀门的阀芯与阀座。但当阀门进行流量试验时却发现阀门的额定流通能力远远小于最初的设计值，较最初的设计值小了40%左右。经过研究发现由于阀门的阀体材料为锻件，所以阀体的流道只能采用直管通道与直管通道连接的方式，而铸件阀体的流道可通过模具制造成更圆整的弧形流道，同时阀门的上下容腔也比锻件阀体更大，因此铸件阀体与锻件阀体在相同的最大流通截面积状态下要高于锻件阀体的流通能力。随后，在确保阀体的最小壁厚情况下，扩大阀体的流道与容腔，最终使阀门的额定流通能力能够满足满足阀门的设计要求与GB/T4213中对阀门流量试验所要求的允许±10%的要求。阀门的最终流量特性曲线见图4

图4实际相对流量特性曲线

C3/C4上充流量调节阀的基本性能试验的结果与标准见下表。所有结果都满足要求。

为保证阀门的耐压性能与密封性能，须以1.5倍公称压力对阀门进行耐压试验，以保证阀门承压边界的完整性；同时还需以1.1倍的公称压力对阀门的填料函处进行密封试验以确保阀门不会出现外漏。

六、结论

C3/C4上充流量调节阀是用于核电站的化学与容积系统，是化学与容积系统中极其重要的一台阀门。该阀是在我厂引进21000系列单座阀技术上设计的产品。以往核电站上充流量调节阀所使用得产品均为Fisher、梅索尼兰等国外公司的产品。该阀门的研制成功将改变我国目前在该阀门上依赖进口阀门的局面，打破国外公司对该阀门的技术垄断。

参考文献：

[1]吴国熙.调节阀使用与维修[M].北京：化学工业出版社，1999

[2]美国仪表学会调节阀手册，第二版

[3]ASME B16.34《法兰、螺纹和焊接连接的阀门》

[4]ASME BVPC—Ⅲ NC卷 《2级部件》