稳压器喷淋阀碟簧受力分析及其结构优化*

许家祥,方 力,管桉琦,钱锦远*

(1.浙江大学 化工机械研究所,浙江 杭州 310027;2.秦山核电有限公司,浙江 嘉兴 314300)

0 引 言

稳压器喷淋阀是调节压水堆核电站一回路内压力的首要设备,具有非常重要的作用。

稳压器喷淋阀位于稳压器喷淋系统,其进口与反应堆冷段相连,出口与稳压器相连[1]。其主要功能是通过调节注入稳压器上部蒸汽空间的一回路冷段水的流量,以调节稳压器上部蒸汽空间的冷凝量,进而实现稳压器的压力控制。作为调节压水堆核电站一回路内压力的首要设备,稳压器喷淋阀的重要性可见一斑,其性能可靠性值得重视[2]。

V形球阀式稳压器喷淋阀凭借其流阻小、流通能力大的优点,以及其近似等百分比流量特性曲线,在国产第三代大型先进压水堆核电站中应用最为广泛[3]。

在V形球阀式稳压器喷淋阀中,碟簧安装于阀体与阀座之间,使阀座实现“浮动”设计。其目的是利用阀座的轴向浮动来弥补制造加工过程中的误差累积;同时,设置有一定预紧力的碟簧可以为阀座与阀芯提供密封力,防止阀门出现内漏。因此,碟簧的性能可靠性对稳压器喷淋阀的安全运行有重要影响。

目前,某核电站稳压器喷淋阀运行存在流体流动不稳定等情况,主要表现为:在小开度下,实际流量异常波动并增大;检修后发现,其密封环断裂、碟簧断裂。笔者判断原因可能为:密封失效情况下,碟簧两侧受到不同大小的流体力作用,导致碟簧被挤压并进行往复运动,最终失效断裂。因此,有必要对稳压器喷淋阀小开度下的碟簧受力进行研究。

对于稳压器喷淋阀的研究主要集中在流量特性研究上。

杨佳明等人[4]采用数值模拟与理论计算的方法,分析了稳压器喷淋阀的流量特性,并研究了流量系数与流通面积的关系。VALDéS J R等人[5]采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了V型球阀的雷诺数与空化数、流量系数的关系。TAO Jun-yu等人[6]利用实验和数值模拟的方法,研究了V型球阀的流动特性,并拟合了流量系数与开度、V形切口角度的关系式。马传京[7]利用实验和数值模拟的方法,研究了阀芯的锥角以及弧度形状对V型球阀流动性能及流阻的影响,并得到了流阻较小的V型球阀。王宗永等人[8]结合试验与仿真的方法,对阀门的流量特性进行了研究,结果发现,小尺寸阀芯形面的微小变化会对阀门的流量特性产生较大的影响。

对于稳压器喷淋阀运行过程中的失效研究则主要集中在调节失效与密封泄露方面。

张翔[9]论述了稳压器喷淋阀连续喷淋流量的调节方法,并针对稳定时间不足、初始阀门开度预设较大等问题,分别提出了相应的应对措施。涂一等人[10]根据填料计算式,经分析得出了稳压器喷淋阀填料损坏的原因,并提出了改进建议,即要在填料密封前先建立一级静密封腔。杨帆等人[11]对喷淋阀阀座磨损问题进行了研究,结果发现,在不适当的极化喷淋过程中,喷淋阀会出现阀座磨损的现象,最终导致内漏。

也有不少学者针对碟簧进行了相关研究。

彭新英等人[12]运用理论计算、有限元数值模拟、实验测试相结合的方法,对非标碟簧进行了选型设计,并进行了球阀密封性实验,通过实验验证了所选碟簧的适用性。FAWAZI N等人[13]提出了一种改进的考虑径向挠度的碟簧载荷位移预测计算方法,采用该方法可以使预测结果更加合理实用。KARAKAYA[14]采用有限元分析法,对不同截面和混合类型的碟簧进行了压缩分析,并确定了最佳的碟簧类型。

碟簧在运行过程中出现的断裂失效[15]也是不少学者研究的重点。

PAL U等人[16]为了延长碟簧的使用寿命,通过优化其锥体的高度,达到了延长碟簧使用寿命的目的。DHARAN C K H等人[17]分析了环向应力引起的碟簧径向断裂问题,结果发现,采用复合材料可以完美替代钢制碟簧,并显著降低碟簧的质量。罗慧琪等人[18]对断裂的倒挡碟簧进行了各项检查,结果发现,其折叠处产生的应力集中效应,会导致倒挡蝶形弹簧疲劳断裂。胡文盛等人[19]针对某核电厂稳压器喷淋阀的碟簧断裂问题,采用多项测试的方法进行分析,结果发现,碟簧发生断裂的主要原因是其热处理工艺不当。

目前,国内外对稳压器喷淋阀和V型球阀的相关研究重点集中在流量特性,对于阀门运行过程中阀内件力学特性研究较少。

为此,笔者采用数值模拟方法,在密封失效情况下和不同压差工况下,探究阀内流场变化及碟簧受力情况;并针对碟簧两侧压差过大问题进行结构优化,以期为稳压器喷淋阀的碟簧选型及结构设计优化提供参考。

1 喷淋阀计算模型

1.1 几何与流道模型

V型球阀式稳压器喷淋阀几何模型和流道模型如图1所示。

图1 V型球阀式稳压器喷淋阀几何与流道模型

由图1可知:该稳压器喷淋阀主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆、碟簧及法兰等部件构成。为了模拟密封失效的情况,笔者处理了阀座与阀体间的密封环,使得介质可以流经阀座与阀体之间的间隙。

1.2 网格划分

笔者采用混合网格对流道模型进行了网格划分:采用结构化网格划分进出口管道,采用非结构网格划分阀体内部;同时,笔者对间隙流道以及V形切口区域进行加密处理。

网络划分结果示意图如图2所示。

图2 网格划分示意图

为了降低网格数目对计算结果的影响,笔者进行了网格无关性验证。

网格无关性验证结果如表1所示。

表1 网格无关性验证

由表1可知:当网格数目超过3.6×106时,能够保证数值模拟的精度。此处采用的模型网格数均超过3.6×106。因此,可以保证数据模拟精度要求。

数值模拟所采用的介质为常温液态水;进口边界设为压力入口;出口边界设为压力出口,压力设置为15.4 MPa(这一数据来自于某核电站稳压器喷淋阀实测数据);阀门开度为9开度(该开度为某核电站稳压器喷淋阀正常工作开度)。

由于流体在阀门内会产生湍流,因此,笔者在此处采用标准k-ε模型,壁面采用标准壁面方程,压力与速度耦合采用SIMPLE算法,梯度项采用least squares cell-based。同时,为了保证计算的精度,其余项均以二阶迎风格式离散。

1.3 数值模型验证

调节阀[20-21]的流量系数是用来衡量调节阀流通能力的重要指标,常用符号KV来表示。

流量系数的定义为:当调节阀进出口压差为0.1 MPa,介质为常温(5 ℃～40 ℃)液态水时,每小时流经调节阀的介质的体积,其单位为m3/h。

流量Q具体可以由下式计算得到:

(1)

式中:ξ为调节阀的阻力系数;Δp为进出口压差;r为重度。

根据式(1),在知道阀门的进出口压差、流量和介质的物理属性时,可以求得阀门的流量系数。

笔者利用数值模拟方法,得到1 MPa下稳压器喷淋阀在最大开度时的流量为115 kg/s,得到最大开度流通能力KV为130。而笔者根据稳压器喷淋阀实验报告,得到喷淋阀实际最大开度下的流通能力KV为125。

两者之间的误差为4%。误差产生的原因是笔者在建模时对阀内件做了相应简化,使阀门的流通能力有一定的加强,但其误差较小。

同时,笔者查阅相关文献发现,杨佳明等人[4]将数值模拟得到的阀门各开度下的流量系数与实际工况下测得的各开度下的流量系数进行对比,验证了相关数值模型的准确性。

综上可知,上述数值模拟的结果是可靠的。

2 数值模拟及分析

笔者研究的稳压器喷淋阀允许工作压差为0.5 MPa,但实际运行中发现存在超压情况,这可能是导致阀内密封环断裂以及碟簧断裂的原因。

因此,有必要对不同压差的阀内流场进行模拟分析。笔者取入口压力为15.7 MPa、15.9 MPa、16.1 MPa、16.4 MPa(分别对应正常工作压差、临界压差以及超压差情况)分别进行数值模拟。

2.1 不同压差下阀内流场特性

不同压差下喷淋阀阀内流场流速分布情况,如图3所示。

图3 不同压差下流场流速分布

由图3不难看出:阀内流体速度主要变化区域为V形槽区域。流体在进入V形槽口前会有一段加速区域,在V形槽口处达到流速最大值;之后,流体离开V形槽口,速度逐渐减小,形成一块减速区域。这是因为流体经过V形槽口处,受到节流作用而使流速增加。这说明在小开度情况下,球阀V形槽口开口处会承受高速流体的冲刷,这对阀门的寿命有严重影响;

根据流线分布可以看出:流体经过阀芯后存在漩涡,这是因为节流槽处流速较大,离开节流槽口时形成射流,而另一侧处流体流速较小,压力较大,导致流体在两处之间形成漩涡,造成能量损失。而随着压差增大,阀内速度也进一步增加,涡旋范围增加,阀内流体状态更加复杂;

间隙流道的流速一直保持较小的值,与入口流速保持一致,这是因为此时的介质流道为V形槽口,介质通过间隙流道后会被碟簧阻断,所以间隙流道流速稳定,且流速很低。

不同压差下的阀内压差分布如图4所示。

图4 不同压差下流场压力分布

由图4可知:阀内压降主要产生在V形槽区域,压降区域主要流体压力变化由入口压力逐步变化为出口压力,但是在槽口及附近一小块区域会出现压力小于出口压力;并且,随着入口压力的增加,最小压力值也会不断下降。这是因为给定固定开度及进出口压力时,阀内要产生更大的压降来适应压差的增加。

因此,对于不同压差,喷淋阀应当采用相应开度,以达到更好的降压效果。间隙流道的压力与入口压力保持一致,这是因为间隙流道并未与出口侧连通,介质没有压力释放通道,所以间隙流道压力保持不变,且与入口压力相同。

2.2 碟簧受力分析

喷淋阀碟簧两侧的受力面示意图如图5所示。

图5 碟簧受力面示意图

图5展示了喷淋阀碟簧在阀门内部承受流体压力的两个侧面。

笔者在Fluent提取2个受力面数据,经整理,得到不同压差下,喷淋阀碟簧两侧的受力数据,如表2所示。

表2 不同压差下碟簧两侧受力数据

不同压差下,碟簧两侧受力数据分析图如图6所示。

图6 不同压差下碟簧两侧受力数据分析图

表2和图6反映了在密封失效的情况下,稳压器喷淋阀碟簧两侧的受力情况:

入口侧受力接近入口压力,出口侧受力接近出口压力,因此,两侧差值也接近进出口压差,并随进出口压差呈现线性关系。

以上结果说明,在密封失效情况下,小开度下进出口压力过大会导致碟簧两侧压差过大。

要判断碟簧是否会因为两侧压差较大而被挤压,需要对碟簧进行受力分析。又因为只需要计算碟簧被挤压脱离阀体的临界压差,所以笔者将碟簧的三维模型简化为二维模型。

碟簧的受力分析模型如图7所示。

图7 碟簧受力分析模型

碟簧材料为Inconel 718。

笔者根据碟簧的自由高度2.794 mm以及工作高度1.905 mm差值,赋予碟簧装配载荷,在阀门入口段施加固定约束,并在碟簧入口侧施加不同压力载荷,直到找到将碟簧挤压脱离阀体的压力。

模拟结果显示,此时压力为0.24 MPa,这说明当碟簧两侧压差超过0.24 MPa时,碟簧会被挤压而最终脱离阀体。

根据分析可知,在密封失效的情况下,碟簧进出口侧压差接近于阀门进出口压差,而0.24 MPa为阀门正常工作压差,因此,可以说明碟簧存在两侧压差过大而被挤压,从而导致往复运动失效的情况。

3 碟簧受力实验

针对碟簧受力情况,笔者进行了相关的实验研究。实验装置示意如图8所示。

图8 实验装置示意图

图8的实验步骤为:

封闭稳压器喷淋阀阀芯主流道,并去除密封环,使得间隙流道成为流体流通的唯一流道;保证出口压力为标准大气压固定不变,不断提升入口压力,根据出口流量变化来判断碟簧实际受力情况以及碟簧挤压临界压差;当流量出现大幅提升,说明此时碟簧和阀体之间的接触消失,出现泄露通道。

实验结果表明:当压差达到0.207 MPa～0.276 MPa时,出口流量大幅度提升。这说明在该压力下碟簧会被挤压,碟簧与阀体之间的接触失效。

该实验结果与上述数值模拟结果(0.24 MPa)一致,也进一步验证了该数值模拟结果的准确性。

笔者根据模拟以及实验结果,判断在工作压差下存在碟簧两侧压差过大被挤压的情况。

当密封失效时,碟簧入口侧持续受到流体力作用,会一直保持脱离阀体的状态;而密封未失效时,由于密封环的阻断作用,碟簧入口侧的流体需要一定时间的积累才能冲开碟簧。

这两种情况都会导致碟簧进行往复运动,并产生疲劳失效,严重影响了碟簧及稳压器喷淋阀的使用寿命。因此,有必要针对这一情况进行结构优化。

4 结构改进及效果分析

为了解决喷淋阀碟簧两侧压差较大的问题,笔者提出了一种采用波形弹簧来代替碟簧的解决方案。

该波形弹簧的示意图如图9所示。

图9 波形弹簧示意图

波形弹簧可以使两侧流体流通,因此不存在碟簧两侧压差过大的情况,并且波形弹簧具有强度高、柔性好、耐冲击力强等优点,可以减少流体扰动的影响。

笔者对采用波形弹簧代替碟簧的稳压器喷淋阀进行模拟分析,采用的工况为入口压力16.4 MPa,出口压力15.4 MPa。

波形弹簧受力分析结果如图10所示。

图10 波形弹簧受力分析

笔者提取图10中波形弹簧两侧压力(其中,入口侧平均压力为15.6 MPa,出口侧平均压力为15.1 MPa,两侧压差为0.5 MPa)。虽然其仍然存在压差,但相比碟簧的1 MPa,压差已经得到了明显的改善。

由图10可知:间隙流道与内部流道连通,流体会在间隙流道处产生压降,使得波形弹簧两侧压差下降。

由此可见,采用波形弹簧代替碟簧可以有效解决碟簧脱离阀体的问题。

5 结束语

由于目前针对稳压器喷淋阀和V型球阀的相关研究重点集中在了流量特性上,对于阀门运行过程中阀内件力学特性研究较少。为此,笔者采用数值模拟方法对密封失效情况下的碟簧受力情况进行了仿真分析,采用相关实验对模拟数据进行了验证,并针对碟簧两侧压差较大问题提出了改进措施,对优化效果进行了模拟验证。

研究结果表明:

1)随着压差的增大,稳压器喷淋阀内速度也会进一步增加,且最高流速总是出现在V形槽口处;随着压差增大,稳压器喷淋阀内压降会进一步增加,阀内最小压力也进一步下降,且最小压力总是出现在V形槽口处;

2)碟簧存在工作压力下被挤压脱离阀体的情况,密封失效会使得这一现象持续存在,从而使碟簧进行往复运动,并产生疲劳失效,严重影响碟簧及稳压器喷淋阀的使用寿命;

3)采用波形弹簧代替碟簧可有效改善碟簧两侧压差过大问题,但是需要对波形弹簧力进行精确计算,在保证稳定性的同时,避免预紧力过大而导致球体密封过度磨损情况的发生。

目前,笔者只使用模拟方式对波形弹簧的优化效果进行了验证,且波形弹簧代替碟簧还具有一定局限性。因此,在后续的工作中,笔者将研究其他结构优化方式,并搭建物理实验台对其优化效果做进一步的验证。