Y 型截止阀在液态铅铋中流阻测量与分析

贺 建 朱志强 黄群英 汪 海 尚 华

Y 型截止阀在液态铅铋中流阻测量与分析

贺 建1,2朱志强2黄群英2汪 海2尚 华2

1（中国科学技术大学 合肥 230027）2（中国科学院核能安全技术研究所 中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室 合肥 230031）

液态铅铋合金是加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)反应堆主选冷却剂材料之一，阀门是高温液态铅铋实验回路的重要组成部件之一，它的流动阻力大小直接影响整个回路装置的结构设计与安全运行。基于液态铅铋流体测量技术实验回路PREKY，开展了Y型截止阀在液态铅铋堆典型工况下的阻力特性测量实验研究，利用压差变送器获得压差实验数据，并与理论计算结果进行对比分析，验证了实验测量方法的可行性和测量结果的合理性。另外，获得了流速1.2–2.0m·s−1内液态铅铋介质中Y型截止阀流阻理论计算指数x值为2.4，此值可直接应用于未来液态铅铋实验回路流阻计算与分析工作。

液态铅铋，Y型截止阀，PREKY，流阻

加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)由强流质子加速器、散裂靶和次临界反应堆构成[1–4]。液态铅铋合金由于具有良好的中子学性能、抗辐照性能和传热性能等，成为目前ADS散裂靶兼铅铋堆的主要候选冷却剂材料[5]。液态铅铋实验回路是开展ADS关键技术研究的必备实验平台，如铅铋合金与材料相容性、铅铋成分控制与纯化技术、铅铋流动和传热特性、流体测量与控制技术等[6–9]。中国科学院核能安全技术研究所FDS团队建造了液态重金属回路与材料技术综合实验平台KYLIN，并开展了液态铅铋一系列关键技术研究，回路中铅铋流动典型实验参数为温度300–400 °C、流速1.0–2.0 m·s−1等[10–11]。

阀门作为高温液态铅铋回路的重要组成部件之一，能起调节与控制铅铋流量的作用，它的服役特性直接影响整个回路装置的稳定与安全运行。当工作介质流过阀门时会产生一定的局部流动阻力，这种阻力会引起实验回路中的驱动系统压头消耗和发热量增加，引起流动不稳定性，同时也与阀门内部液态铅铋介质流动速度分布和变化有关。

为了减少高温液态铅铋实验回路中阀门的阻力损失，提高驱动系统扬程，并确保液态铅铋回路安全稳定运行。利用高温液态铅铋流体测量实验回路PREKY，针对Y型截止阀开展了典型运行工况下流阻特性测量实验，获得了一系列流阻数据，并将测量数据与理论计算值进行对比。同时分析了阀门在不同流速下的流体阻力及流阻理论计算指数的取值。此研究可为KYLIN系列铅铋回路关键技术的研究提供实验依据。

1 Y型截止阀简介

1.1 阀门结构

Y型截止阀流道呈直流式，阀杆与流道保持45°夹角，主要由阀体、阀盖、阀瓣、阀杆、波纹管、焊料等组成，如图1所示。

图1 Y型截止阀结构图Fig.1 Structural diagram of Y-type globe valve.

1.2 流阻理论分析

由图1可见，阀门结构中的阀座和阀体突起，目前阀门的流动阻力值可以通过理论公式与工程经验获取。

介质通过Y型截止阀的压力损失ΔP一般表示为[12]：

式中，A、B为工况条件不变情况下，阀门一定开度时为常数；v为介质平均流速，m·s−1；x为计算指数，取值范围为1.6–2.4[12]。

从式(1)可以看出，阀门压力损失与速度取值成幂函数关系。

计算指数对于水介质一般取x=2.0，而在液态铅合金介质中，阀门结构和其它因素对指数x的影响及x的具体取值尚未见报道。因此，对于液态铅铋介质，x的取值需要实验研究以验证式(1)的普适性。在介质流速很低（层流状态下）时，第一项Av起决定性作用；在其它情况下，第二项Bvx起决定性作用[12]。

2 实验装置与测量

2.1 实验装置

FDS团队自主研制的液态铅铋流体测量技术实验回路PREKY，如图2所示。该回路的主要功能是开展液态铅铋流体测量与驱动等关键技术研究。回路主要包括驱动系统、加热与保温系统、冷却系统、电气控制系统、计算机远程控制系统等，并能够实现回路各温区独立测控温功能。其中，驱动系统是一台电磁驱动泵，流量可调。回路主要设计参数：流道内径ø32mm；最大流速2.0 m·s−1；最高温度500 °C；最大压力2.0 MPa；铅铋总量约1t。

图2 PREKY强迫循环实验回路Fig.2 Forced circulation experimental loop PREKY.

2.2 测量方法

实验测量过程中，管道内液态铅铋流速高于1m·s−1，呈紊流状态，故式(1)中Av值对阀门压头损失可忽略[12−13]，即简化为：

另外，在紊流状态下阀门流阻理论计算公式也可以表达为[14]：

式中，Z为Y型截止阀流阻系数；ρ为介质密度，kg·m−3，即式(2)中的系数B为式(3)中的0.5Zρ。在相同温度下，一定开度的阀门流阻理论值主要与液态铅铋流速大小相关。

图3给出了阀门流阻测量示意图。由工程经验得出，实验测量过程中，Y型截止阀的压力损失ΔP等于阀门进出口总压力损失ΔP1减去对应流速下直管道压力沿程损失ΔP2[15–16]，即：

式中，ΔP1为Y型截止阀前后压降，kPa；ΔP2为相同流速下相应管道压降，kPa；ρ为介质密度，kg·m−3；v为介质流速，m·s−1；L为管道长度，mm；D为管道内径，mm；λ为管道流阻系数。

图3 阀门流阻测量示意图Fig.3 Scheme on flow resistance measurement of valve.

本实验中Y型截止阀前后端的压力ΔP1是通过压差变送器获取，流速由电磁流量计实时采集获得。因此，影响Y型截止阀流阻实验测量的准确度主要由压差测量精度和铅铋流速测量精度等因素决定。

另外，在实验中流速测量采用FDS团队自主研制的电磁流量计（校准范围为1.0–2.0 m·s−1，精度约4%），压力测量采用压差变送器（测量范围约为62.2 kPa，校准范围15–45kPa，精度0.2%）。

本实验开展阀门全开状态下流阻测量实验，通过驱动系统调节整个回路的流速，利用已标定的电磁流量计测量液态铅铋的流速，压差变送器测量阀门两端的压降。通过理论计算公式(3)和工程经验公式(4)，计算出高温液态铅铋环境中阀门流阻计算公式中指数x的取值。

2.3 实验数据

理论公式和经验公式中相关参数分别为：实验温度控制在350 °C，铅铋密度ρ为10270kg·m−3，流速范围为1.0–2.0m·s−1，L取500mm，D取32mm，λ取0.046，Z取1.0[12]。获取的实验数据如图4所示。从图4看出，在阀门开度100%状态下，随着流速的增大，阀门两端压差值逐步增大，这与理论分布特征一致，说明了阀门流阻测试结果的合理性。

在流速1.2–2.0m·s−1内（即电磁流量计的校准范围内），压差变送器的测量值ΔP1在该仪器的校准范围(15–45kPa)内。

图4 阀门流阻测量实验数据Fig.4 Experimental results on flow resistance measurement of valve.

3 结果分析

阀门流阻计算指数x先假定选取2.0（参考水介质的取值）和最大值2.4进行参考分析。图5给出了Y型截止阀在高温液态铅铋中开度为100%状态下不同流速对应的流阻测量值与理论值对比曲线。

图5 阀门流阻实验数据与理论值对比曲线Fig.5 Comparative curves of the value flow resistance between experimental data and theoretical calculation.

从图5中可以分析得出，如果参考水介质下的x取值为2.0，此时理论计算值与实验测量值相差40%–50%，说明水介质和铅铋介质下阀门的流阻相差较大。而当阀门流阻计算公式中指数x取2.4时，在流速1.2–2.0 m·s−1内（即压差变送器测量校准范围内，如图5中虚线右侧部分），理论计算值与实验测量值相对偏差约10%。

从图5看出，实验值全都比理论值大，表明阀门流阻测量偏差主要为系统误差，随机误差的影响较小。另外，由前面内容可知，电磁流量计的最大测量误差是4%，根据式(2)，当x=2.4时由于最大流速误差4%引起的阀门压损误差为10%。当然，阀门流阻测量偏差10%实际包含有流速测量误差、压差变送器测量误差和测量仪器安装引起的系统误差，以及环境因素（震动、空气波动等）或操作不当等引起的随机误差。

根据图5，若x取值大于2.4，实验值与理论值可能会更吻合。此时x取值看似更合理，但是由于测量误差的存在，x的取值实际上并不合理。另外，根据工程经验公式(1)可知，x的合理取值最大为2.4。在此研究中，综合考虑到测量误差的影响，确定x取值为2.4，此时阀门流阻理论值与实验值相差在10%范围内。

上述实验数据说明压差变送器测量数据是合理的，即压差传感器在校准范围(15–45kPa)和流速1.2–2 m·s−1内，实验测量压差值与理论计算值的误差在10%以内。

为利用此实验数据拟合分析出阀门的理论计算公式，使阀门在流速1.2–2.0 m·s−1内具有理论计算普适性，拟采用最小二乘法对式(1)中A、B常数进行拟合分析，获得优化后的参数A=0.8227、B=5.1987。从而获得阀门流阻值与理论值的修正曲线，如图6所示。从图6看出，在流速1.2–2 m·s−1内，阀门实验测量流阻值与拟合值之间的相对误差低于1%，可以作为今后阀门流阻理论计算分析参考依据。

图6 阀门流阻值与拟合值对比曲线Fig.6 Comparative curves of the valve flow resistance between experimental data and fitted value.

因此，针对本实验中Y型截止阀结构及高温液态铅铋的实验工况，阀门的流阻理论计算通过实验测量验证。初步实验结果显示，当阀门在全开状态以及流速1.2–2 m·s−1内时，Y型截止阀的流阻计算指数x取值为2.4，此时阀门流阻计算为：

通过式(5)计算得出的阀门流阻值，仍然存在9%–11%的测量误差，而式(5)仅适用于在液态铅铋温度350°C条件下Y型截止阀流阻测量实验。为获得更高精度的阀门流阻测量值，需要完善实验测量方法、阀门与测量仪器安装工艺等，开展进一步的实验研究。

4 结语

阀门是液态铅铋实验装置重要组成部分之一，基于液态铅铋实验回路PREKY，开展了不同流速下阀门流阻测量实验研究，获得了Y型截止阀在100%开度下的流体阻力。在液态铅铋流速1.2–2m·s−1内，Y型截止阀的流阻实验测量值与理论值相对误差在10%内，而与拟合值吻合较好，且阀门流阻理论计算公式中x取最大值2.4是合理的，可以为液态铅铋实验装置流阻设计分析提供重要的依据。

致谢 本工作得到中国科学院核能安全技术研究所FDS团队其他成员的指导帮助，在此向他们表示衷心的感谢。

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CLC TL343

Test and analysis on the flow resistance of Y-type globe valve in the liquid lead-bismuth alloy

HE Jian1,2ZHU Zhiqiang2HUANG Qunying2WANG Hai2SHANG Hua2
1(University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China) 2(Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: Liquid lead-bismuth eutectic (PbBi) has been proposed as one of mainly coolant materials for Accelerator Driven Sub-critical Systems (ADS) reactors, and the valve is a key component for flow regulation in high temperature liquid PbBi experimental loop. The flow resistance has a direct impact on the structural design and safe operation of the loop. Purpose: This study aims to reduce the resistance loss of the valve in high temperature liquid PbBi experimental loop of the drive system, ensuring the safe and stable operation of the loop. Methods: Based on liquid PbBi fluid measurement experimental loop PREKY, the resistance characteristics experiment of Y-type globe valve in the typical conditions of liquid PbBi reactor was performed, and the pressure datum were achieved by using differential pressure transmitter and compared with the theoretical calculation results. Results: The results verified the rationality of experimental results and reasonability of measurement method. In addition, the flow resistance theoretical calculated index on Y-type globe valve was proved to be 2.4 in the flow rate range of 1.2–2.0 m·s−1for the liquid PbBi loop. Conclusion: The experimental results could be directly applied to calculation and analysis of flow resistance in liquid PbBi experimental loop in future.

Liquid lead-bismuth, Y-type globe valve, PREKY, Flow resistance

TL343

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040604

ITER 973国内配套项目(No.2014GB112002、No.2014GB116000)、中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA03040200)、中国科学院合肥物质科学研究院院长火花基金(No.YZJJ201328)资助

贺建，男，1983年出生，2011年于北京工业大学获硕士学位，现为中国科学技术大学博士研究生，主要从事高温液态金属流体测量技术研究

朱志强，E-mail: zhiqiang.zhu@fds.org.cn

2014-11-26，

2015-01-16