核级小口径升降式止回阀流量系数测试及结构改进

1 概述

    在核电安全注入系统（RIS）中，核级小口径升降式止回阀（以下简称止回阀）是一种使用较为广泛的阀门，用来防止介质倒流。在核电厂供货的止回阀中有部分出现了C_V值严重偏低的问题，并伴随振动和噪声的异常现象，解体检查发现阀门存在阀瓣未能完全开启甚至卡塞的现象。止回阀是指依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣的阀门。阀门的C_V值是衡量阀门流通能力的指标，C_V值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。因阀门C_V值偏低，能导致系统流动阻力大，影响泵的性能，使系统再循环流量不能满足核电厂系统要求，需要对其结构进行分析和改进。

    2 分析

    2.1 动作特性

    止回阀一般是由阀体、阀盖和阀瓣等组成。阀座密封面是由阀体堆焊硬质合金后加工而成，阀瓣密封面采用锥型环面密封，由本体堆焊硬质合金加工而成。阀瓣以阀体中腔孔作为导向，沿着中心线上下滑动。当介质顺流时，阀瓣靠介质推力开启。

    当介质反方向流动时，由介质压力和阀瓣的自重使阀瓣作用于阀座上，阻止介质出现逆流现象（图1）。

（a）阀瓣由阀体导向   （b）阀瓣由阀盖导向

图1 升降式止回阀

    2.2 流量试验

    对核电厂现场使用的DN50－Class1500止回阀（图1a）按流量试验标准JB/T5296－1991的要求进行了流量系数CV值试验得出一组数据（表1）。

    流量系数CV值为

    式中   Q———单位时间内流经阀门的介质体积，m³/h

    △p———测量装置测得的总压差，kPa

    ρ———流体密度（ρ=1），kg/cm³

表1 止回阀流量系数试验数据（DN50－Class1500）

    经过流量试验表明，阀门的平均流量系数C_V值与系统运行要求的数据比较有很大的差距。阀门流量试验后，解体发现阀瓣有卡塞现象，修复后重新试验其结果仍然达不到要求，需对其结构进行分析和改进。

    2.3 结构性能

    （1）阀瓣深入阀盖尺寸偏小

    根据实测，阀瓣在关闭状态时深入阀盖实际有效尺寸为5mm，极易导致阀瓣深入阀盖的尺寸不足，在体、盖内孔尺寸控制不严格的情况下，可能导致阀瓣运动出现卡塞现象（图1a）。

    （2）阀体中腔导向长度不足

    阀瓣导向直径D=60mm，导向长度L=47mm，L/D=0.78，与一般经验值L/D=1.2的要求相差很大。同时，由于阀门出口流道位于中腔导向面，对导向产生不利影响，所以这种导向设计不合理。

    （3）阀体、阀瓣和阀盖运动副配合间隙不合理

    阀门解体后测量的阀体中腔、阀瓣直径D与其对应的C_V值数据见表2。为进一步验证配合间隙和C_V值的关系，用DN50－Class150（其结构与图1a同）止回阀进行流量系数试验，其数据见表3。

表2 DN50－Class1500止回阀解体测量的

D值与其对应的C_V值

表3 DN50－Class150止回阀测量的D值与其对应C_V值

    （4）阀门内表面粗糙度Ra值的影响

    介质在阀门内部流动与阀门内腔产生摩擦，产生流动阻力和能量损失，阀门内腔越粗糙，介质的流量系数C_V值越低。

    通过由表2、表3及图2、图3流场分析，可以看出阀瓣在全开状态下阀体与阀瓣接触长度约为导向长度的1/2。阀门流道孔中的箭头代表介质的流速和流向（图2），介质在阀瓣下面有一个紊流区域，当阀体与阀瓣的配合间隙大时，阀体不能很好的约束阀瓣，阀瓣会随着介质转动和摆动，增大了阀门紊流区域，所以阀门压力损失增大。反之，配合间隙小时，阀体对阀瓣有较好的控制，阀瓣随介质的转动和摆动的程度降低，减小对介质流动的影响（图3）。通过分析和试验证明，阀瓣与阀体的配合间隙减小，C_V值增大。

图2 改进前阀体中腔孔导向止回阀的流场分析

图3 改进后阀盖导向止回阀的流场分析

    3 改进

    针对上述分析的几个方面的原因，对止回阀的结构进行了改进（图1b）。

    （1）扩大阀体中腔

    阀瓣以阀盖内孔作为导向面，该结构减轻了阀瓣自重，使阀瓣导向长度L与阀盖导向孔直径D＇的比值L/D＇在1.2～1.5之间。减小阀瓣开启高度，阀瓣在完全开启状态下中腔的环形面积均大于流道截面积，降低介质在阀体中的流动损失。阀门结构改进前后的数据对比见表4。

表4 DN50－Class1500止回阀改进前后的数据对比

    （2）控制阀瓣导向配合间隙

    在满足温度变化要求的前提下，尽量减小配合间隙以此提升C_V值。

    （3）提高阀门内腔光洁度

    阀门内表面粗糙度Ra值控制在3.2～6.3μm之间，取其下限效果较好。

    4 试验

    对结构改进后的止回阀，重新进行了流量系数试验得出下列一组数据（表5）。

表5 结构改进后的DN50－Class1500

止回阀流量系数试验数据

    5 结语

    止回阀结构改进后，其C_V值试验结果有了大幅提高。另外，应控制阀盖导向、阀盖与阀瓣配合间隙及提高零件配合面的粗糙度和增加阀瓣与导向件之间配合面的同轴度、同柱度等形位公差控制要求，使其在满足温度变化要求的前提下，尽量减小配合间隙，以保证阀门CV值的稳定。对止回阀流量系数测试数据分析的过程和结论，为阀门的设计、制造以及系列化和软件模拟计算奠定了基础。