核级升降式止回阀改进研究

祝太富，邱 磊，傅仁浦，秦博杰，史庆峰

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

长期以来，秦山第二核电厂（以下简称“秦二厂”）1#机组RIS（安全注入系统）硼酸再循环回路流量处于偏低水平，经分析并查询1RIS021/022PO 的安装调试报告以及试验记录，发现1RIS030MD的流量一直保持在3.2～3.4 m3/h，设计额定流量为4.1 m3/h，而RIS硼酸再循环回路的低流量报警值为3 m3/h，细微的流量波动将有可能导致报警触发。结合外部经验反馈及阀门结构分析，导致回路流量偏低的根本原因是现场止回阀流通能力不足，因此需对该结构形式的阀门进行改进，以确保后续机组的安全稳定运行。

1 止回阀原理及结构

止回阀又称单向阀、逆流阀和逆止阀，是指依靠管路介质流动而开启、关闭阀瓣的阀门。止回阀属于自动阀门，其主要作用为防止介质倒流和泵及驱动电机反转、防止容器介质外泄等。

按结构划分，秦二厂的止回阀主要有旋启式和垂直升降式两种，占阀门总数的18%.

硼酸再循环泵出口止回阀为带辅力弹簧式（弹簧载荷）升降式止回阀：阀门主要由阀体、阀盖、阀瓣、弹簧、阀座等零部件组成；阀座和阀瓣密封面堆焊司太立合金；阀瓣上设置有两个轴向泄压孔及一个泄压槽，两个平衡孔通过汇集为一个泄压孔与阀门上腔连通（图1）。

止回阀的工作过程：介质由进口流入时，阀瓣被介质冲开而提升；在阀瓣上升过程中，通过泄压槽排出介质，以减小阀瓣开启时的阻力，使阀瓣离开阀座让介质通过；当介质停止流动或回流时，阀瓣通过上部弹簧及其自重作用快速关闭。

2 止回阀流通能力不足的影响因素

2.1 阀门状态分析

图1 硼酸再循环回路出口止回阀结构

止回阀阀瓣在介质压差产生的作用力及弹簧作用力下趋于闭合状态，而开启过程中除了介质压差及弹簧压力外，还受到阀瓣的重力以及阀瓣与阀体间的摩擦力影响，即：密封力=介质压差作用力+弹簧力+阀瓣重力-阀瓣与阀体间摩擦力。所以，止回阀通过弹簧压力将阀瓣压紧在阀座密封面上，实现密封，当流体介质按规定方向流经止回阀时，介质克服弹簧压力、阀瓣自重和阀瓣与阀体间的摩擦力，冲开阀瓣，使介质流通。

因本文所述止回阀工作介质属于中压，忽略阀瓣重力以及阀瓣与阀体间摩擦力。这样，阀瓣即将开启时，流体介质作用于阀瓣的作用力为

式中 F——阀瓣介质作用力，MPa

Di——密封面内径，mm

Bm——阀座密封面宽度，mm

P——入口介质压力，MPa

Pi——阀瓣后压力（背压），MPa

其中，PN为阀门的公称压力，是指在具体某一公称直径及工作温度下的阀门允许最大工作压力。所以，阀门开启需满足FF0，介质作用于阀瓣的力需大于密封比压所要求力。

2.1.1 弹簧压力

阀门的密封性能由足够的密封比压及良好的密封面加工质量决定，加工质量依靠加工工程保证，止回阀处于关闭位置时，阀芯依靠弹簧压力保证其有足够的密封力，在阀门开关过程弹簧是控制开启压力的关键，弹簧压力过大，虽然对关闭过程有利，可以使阀芯在弹簧作用力下迅速关闭并保证更好的密封效果，但同样增大了阀门的密封比压。因此，在保证密封面间有足够密封力的前提下，应减小其弹簧压力。

2.1.2 密封面宽度

阀门阀座与阀瓣的密封形式为面密封，面密封形式使阀芯阀座接触面宽度较大同样导致其密封比压增大；且阀门开启再次关闭后易在密封面中残留介质，介质的表面张力对阀门再次开启起阻碍作用，增大阀门开启压力。故可通过减小密封面宽度方面着手，以减小阀门开启压力。

2.2 流通能力分析

阀门常采用流阻系数以及流量系数描述其流通性能优劣，流阻系数越小，流量系数越高，则阀门的流通性能越好。两者定义如下[2]：

式中 Cv——流量系数

Kv——流阻系数

v——介质在管道中的流速，m/s

qv——体积流量，m3/h

2.2.1 泄压孔

当介质作用于阀芯力大于密封比压力后，阀芯离开阀座，介质通过泄压孔流入阀芯上腔，克服弹簧压力、阀芯阀体摩擦力后推动阀芯向上移动。本文升降式止回阀，其阀瓣中设置有两个泄压孔，且两个泄压孔最终汇集为一个泄压槽与上腔连通；该设计对介质进入上腔有一定的阻碍作用，减小介质管道中的流速，并加剧中腔内紊流的产生，增大流经阀门的压力损失，使阀内介质流动稳定性降低，增大阀门流阻系数；根据文献[3]分析可知，更多的泄压孔可使阀门性能更优，产生负压绝对值小，可降低气穴概率发生，使流道内部流体更加平稳。

2.2.2 阀芯行程

较小的阀芯行程导致阀腔内空间较小[4]，流阻较大，介质流量小，介质在管道中流速就小，流经阀门的压力损失p 高。适当增加阀门行程可使阀门出口负压区域减小，内部介质更加稳定，流量系数增大，同时流阻系数相应减小，因此可增大阀门行程。

3 处理措施

根据上述分析结果，经与设计院、阀门生产厂家进行探讨，由阀门厂家重新设计并提供设计样图（图2）。

图2 改进后阀门

改进后的阀门阀芯阀座密封面形式为线密封，减小了密封面宽度，并避免阀门开启过程中的介质张力阻碍；阀门取消了背压弹簧，阀芯开启过程中无需克服弹簧阻力做功，减小了阀门的密封比压；将泄压孔数量增加至4 个，使介质更易进入阀门上腔，减小了阀门的压力损失，并增大阀内介质流速，有利于增大阀门流量系数。适当增加阀芯开启行程，使阀门获得更大的阀腔空间和出口截面有效流动面积，有利于提高阀内介质流速，流阻减小，介质流量增大且高速区域面积增加，使流经阀门的压力损失p 减小流动稳定性有明显的改善，有助于提高阀门的流通能力。

4 结论

以秦山第二核电厂安全注入系统硼酸再循环泵出口止回阀为例，从阀门状态以及流通能力方面，结合阀门结构特点对核级升降式止回阀提出改进建议。

（1）止回阀的背压弹簧及接触面宽度决定了其密封比压，应在保证密封比压的前提下适当减小弹簧压力及接触面宽度，以降低阀门开启压力。

（2）泄压孔的数量及阀芯的行程则影响了阀内介质流速及流经阀门的压力损失，增加泄压孔的数量并增大阀芯行程可降低阀门流阻，提高阀门流通能力。