池式低温供热堆用自然循环阀门的结构设计与计算

周寅鹏，张金山，衣大勇，范月容，姚成志，石辰蕾，郭志家，彭朝晖，柯国土，刘兴民

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

池式低温供热堆适用于我国多数供热网，供水温度在100 ℃以下，是一种较为经济合理的供热方式[1]。该反应堆将堆芯固定在一个常压水池的深处，利用水层的静压力提高堆芯的出口温度，再将反应堆产生的热量通过一二回路两级换热传递给供热回路，并将供热回路与热网直接相连，将热量输送到需求用户。

自然循环阀门安装于池式低温供热堆堆芯容器的侧壁，其整体结构完全浸泡在池水中，是堆芯余热排出系统的关键设备。该阀门的关闭是通过由堆水池回水管引出的射流管的射流冲击和系统的循环压力差实现的；而当主泵事故停转后，射流停止，阀门内外两侧的压差减小到一定程度后阀门在自身重锤组件的重力作用下非能动开启，实现池水对堆芯的自然循环冷却。可见，自然循环阀门需同时满足关闭可靠性及开启即时性的要求，且其性能对保证反应堆的安全具有重要意义。

1 功能及参数描述

自然循环阀门的功能如下。

(1)反应堆一回路主泵工作时，在外部射流作用下，自然循环阀门能够保持闭合，以保证堆芯内部流体与水池内流体的有效隔离，避免无效漏流。

(2)反应堆一回路主泵事故停转后的初期，自然循环阀门在外部射流和一回路主泵惰转吸力的作用下，仍然保持闭合，在主泵惯性流量作用下保障堆芯的循环冷却功能。

(3)反应堆一回路主泵完全停转后，自然循环阀门在重锤组件自重作用下非能动开启，以联通堆芯内部与池内流体，建立自然循环过程，实现池水对堆芯的自然循环冷却。

根据低温供热堆构件分级准则，自然循环阀门的安全级别为SC-3，抗震类别为Ⅰ类，质保等级为QA2，设计应满足RCC-M规范[2]第2册D篇的相关要求，其具体设计参数如下。

(1)池水温度：68 ℃；

(2)工作介质：轻水；

(3)阀门通流面积：≥0.031 5 m2；

(4)阀门开启角度：≥45°；

(5)阀门开启压差：1 000 Pa。

2 结构设计

自然循环阀门主要由阀座、密封组件、转轴组件、阀杆及重锤组件等结构组成，其主体材料选为Z2CN19—10(控氮)，与反应堆堆内构件主体材料相同，焊材选为ER308L。阀门的结构示意图如图1所示，其中图1(a)为自然循环阀门关闭状态，图1(b)为自然循环阀门开启状态。

图1 自然循环阀门结构示意图Fig.1 Scheme of Naturalcirculation valve

如图1所示，阀座为阀门的固定部件，与反应堆堆芯容器侧壁焊接连接；密封组件与阀杆及重锤组件相连接，共同组成阀门的转动部件，可通过转轴组件在一定角度内一起旋转，以实现阀门的关闭及开启功能。

当一回路主泵启动后，支管路射流作用于密封组件外表面，给予密封组件以足够的推动力矩，保证阀门实现关闭动作，同时，待阀门关闭后，在主泵的作用下，阀门内部的压力低于阀门外部水池的压力，在压差和射流水柱的作用下可以保证密封组件的有效关闭和密封；当反应堆事故停堆后，主泵停转，射流停止，待阀门内外压差逐渐减小至某一限值后，密封组件在重锤组件重力作用下旋转开启，堆芯容器内、外流体联通，自然循环过程随之建立。

2.1 阀座结构

阀座由筒体、密封面和支撑座等结构组成。其中，筒体与堆芯容器侧壁焊接连接，形成连接堆芯内、外流体的通道；密封面为凹槽结构，阀门关闭时与密封组件共同实现阀门的密封；筒体下部焊接有支撑座，支撑座与转轴组件连接，为转轴组件提供支撑，阀门的旋转部件可绕转轴组件进行旋转。

2.2 密封组件

密封组件主要由密封板、密封盖、弹簧组件及相关连接紧固件等结构组成。其中，密封板通过连接臂与阀杆及重锤组件相连，共同组成绕转轴组件旋转的转动部件，实现阀门的关闭及开启动作；阀门关闭后，密封盖与阀座的凹槽密封面紧密贴合，以实现阀门的有效密封；另外，密封盖通过弹簧组件与密封板相连，这样的结构设计使得密封组件在阀门关闭的瞬间得到有效的缓冲，防止密封盖及阀座密封面因冲击力过大发生损坏或变形。

2.3 转轴组件

转轴组件主要由轴套、铰链轴、挡圈、垫片等结构组成。其中，轴套与阀座的支撑座进行固定，阀门的转动部件通过铰链轴旋转，完成阀门的关闭或开启。另外，转轴组件外侧设置有位置开关，用来在线监测阀门的开启角度。

2.4 阀杆及重锤组件

重锤组件通过连接螺母与阀杆进行固定。由于自然循环阀门是通过重锤组件的重力实现阀门的非能动开启的，所以必须合理设置重锤组件和连接螺母的重量以及阀杆的长度，才能得到准确的开启力矩，这也是自然循环阀门结构设计中关键的设计参数。

3 设计计算

3.1 计算内容与目的

根据自然循环阀门的关闭及开启要求，结合第1节的相关设计参数，须对阀门的结构设计进行设计计算，以验证阀门的设计是否满足功能要求。

自然循环阀门的设计计算主要包括阀门的关闭及开启两个方面。首先，要计算开启压差为1 000 Pa时阀门能否在重锤作用下实现非能动开启，且开启角度达到45°；另外，还要通过分析计算，得到满足阀门关闭要求所需最小射流力矩，以对射流支管路进行合理设计。

3.2 计算输入

自然循环阀门各个零部件的重力如表1所示。在下文中，密封组件的重力用G1表示，连接臂的重力用G2表示，重锤组件的重力用G3表示，阀杆的重力用G4表示，连接螺母的重力用G5表示。

表1 阀门各零部件设计参数Table 1 Design parameters of each part of the valve

阀门在45°开启状态及关闭状态下各零部件的重心位置及重力相对于旋转中心线产生的旋转力臂如图2所示，其中，在关闭状态下，密封组件的力臂L1=0.13 m，连接臂的力臂L2=0，重锤组件的力臂L3=0.268 m，阀杆的力臂L4=0.172 m，连接螺母的力臂L5=0.283 m，射流作用产生的力臂L6=0.33 m；在45°开启状态下，密封组件的力臂L11=0.13 m，连接臂的力臂L22=0.181，重锤组件的力臂L33=0.268 m，阀杆的力臂L44=0.172 m，连接螺母的力臂L55=0.283 m。另外，阀门的开启压差ΔP=1 000 Pa，阀门的有效面积S=0.089 m2。

图2 重心及力臂示意图Fig.2 Center of gravity and arm of force

3.3 计算准则

根据第3.1节计算内容与目的的要求，自然循环阀门需要满足如下计算准则。

(1)自然循环阀门开启状态下，要求满足：密封组件及连接臂对旋转中心线的力矩≈重锤组件、阀杆及连接螺母对旋转中心线的力矩。

(2)自然循环瓣阀关闭状态下，要求满足：密封组件、连接臂及阀门内外表面压差对旋转中心线的力矩>重锤组件、阀杆及连接螺母对旋转中心线的力矩。

3.4 计算结果

根据第3.3节计算准则要求，可得到阀门全开状态时应满足力矩平衡关系式(1)；阀门在闭合状态临界开启时应满足力矩平衡关系式(2)。

G1L11+G2L22=G3L33+G4L44+G5L55

(1)

G1L1+G2L2+ΔPSL6=G3L3+G4L4+G5L5

(2)

将第3.2节设计输入值带入以上关系式中，通过计算，可得到设计参数满足上述平衡关系式要求，即说明自然循环阀门满足在1 000 Pa下实现开启且阀门开启角度为45°的要求。

另外，在现设计参数下可以计算出阀门的最大开启力矩为ΔPSL6=28 N·m，则在射流管的设计中，只需要保证射流力矩大于28 N·m，即可保证自然循环阀门在射流作用下能够实现关闭功能。

4 结论

自然循环阀门是低温供热堆堆芯余热排出系统的重要设备，是通过水力关闭非能动开启的一种特殊结构的阀门。本文对自然循环阀门的结构设计进行了说明，并结合相关设计参数对阀门的关闭及开启性能进行了力矩平衡分析计算，计算结果表明，本阀门的结构设计满足功能要求。

目前，本自然循环阀门已完成相关设计工作，并将在后续工作中进行等尺寸模拟件的加工，以开展相关性能试验的验证。