在役核电厂测温旁路阀门阻力特性数值模拟分析

张文其+曹思民+叶竹+沈云海+王保平

【摘 要】根据国内在役核电厂运行反馈，主系统测温旁路安全1级手动截止阀的阀体阀盖若采用分体式锻造，则阀体与阀盖连接处的唇边焊会发生泄漏或存在泄漏风险，因此需选用阀体阀盖一体化铸造的截止阀进行替代。为了判断一体化铸造阀门的阻力特性能否满足系统的阻力要求，使用CFD软件CFX对一体化阀门的流阻特性进行数值模拟计算，分析所采用替换阀门对测温旁路系统流阻要求的适应性。分析结果表示一体化阀门的流阻特性能满足测温旁路系统要求。

【关键词】测温旁路；阀门；数值模拟；流阻特性

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0086-002

【Abstract】Split forging technology is applied in the manufacture of the globe valve used in the bypass temperature measurement of the reactor coolant system（RCS）in some nuclear power plants.This technology，however，leads to the leakage risk at the lips weld on the connecting point between the deck and body of the valve.Thus，using the integrated-casting valve instead is necessary and moreover，this type of valve should satisfy the requirement of flow resistance characteristic.This work focuses on the analysis for the flow resistance characteristic of the integrated-casting valve based on the numerical CFX simulation.The result shows that the requirement of the flow resistance characteristic of this valve type can be satisfied for the bypass temperature measurement.

【Key words】Resistance temperature detector by pass manifold system；Valves；Numerical simulation；Flow resistance characteristics

0 引言

國内近几年完成建造并投入商运的在役核电厂，其反应堆冷却剂系统（简称主系统）测温旁路的数十台安全1级手动截止阀（测温旁路示意图见图1）的结构均为阀体和阀盖采用螺纹连接。经福清1、2号核电厂运行经验反馈，该类型的多台手动截止阀在热试阶段均出现了唇边焊失效的情况，从而导致了冷却剂在该处的泄漏，且经打磨补焊等缺陷处理后，少量阀门仍存在唇边焊再次失效泄漏现象。

主系统测温旁路的安全1级手动截止阀作为一回路承压边界，若在机组运行期间发生不可控的唇边焊泄漏，可能带来一回路不可识别泄漏率超标及测温旁路不可用导致的核安全风险，影响核电厂的安全性与经济性。为避免该类阀门运行期间唇边焊泄漏，提高机组的可靠性和安全稳定性，根据核电厂要求，对此类型手动截止阀进行替代。

新的截止阀需满足在役核电厂主系统测温旁路安全1级手动截止阀的特性要求外，还需满足测温旁路系统的流阻要求。因此本文将通过使用CFD建模分析研究，分析所采用替换阀门对测温旁路系统流阻要求的适应性。

1 替代阀门特性要求

在役核电厂主系统测温旁路安全1级手动截止阀的设备选型原则如下：

1）新阀门满足设备规格书中的技术指标要求，以便满足主系统安全性与功能性要求；

2）新阀门应在结构上避免唇边焊泄漏问题，且有良好的运行反馈。

3）新阀门的流动阻力足够低，以便满足主回路测温旁路中冷却剂传输时间的要求；

4）新阀门的尺寸、重量、重心应与原阀门相似，确保满足安装空间以及力学评价要求。

根据阀门选型调研，法国VELAN生产的RAMA手动截止阀能够满足主系统测温旁路手动截止阀阀体阀盖采用一体化锻造，不需要唇焊以及尺寸、重量、重心应与原阀门相似的要求。

2 阀门流阻分析

测温旁路上手动截止阀作为主要的局部阻力，其阻力系数在设备规格书中明确进行了规定。主系统测温旁路阀门实施替换后，新阀门的阻力系数仍应满足设备规格书中的相关要求。

2.1 控制方程

2.2 几何模型

RAMA手动截止阀的结构如图1所示，正常情况下阀门的阀芯与阀座分离，阀门处于全开状态。因此几何建模对象为阀门全开状态下阀门内部流道。本次选用利用商业建模软件UG对RAMA手动截止阀全开后阀门内部流道进行三维建模。

截止阀入口及出口内径均为40mm。阀门全开后阀芯顶部距离阀座13.39mm。阀门的其他参数如图2所示，图中阀门的各尺寸单位为mm。

2.3 网格划分

利用网格划分软件ICEM对流体通道进行网格划分，网格数量为139925。

2.4 边界条件

将网格导入商业流体计算软件CFX进行边界条件的设置，阀门入口压力为15.5MPa，出口流速为25m/s，管壁粗糙度为6.3μm。

2.5 数值模拟结果

阀门内流场分布如下图所示，由图可知阀门内流场分布不均，且部分区域存在涡旋现象。在进行阀门流阻计算时，阀门出口处的压力为平均压力。经测量，阀门出口处的平均压力为14.6MPa。

3 结果与讨论

4 结论

主系统测温旁路的手动截止阀作为一回路承压边界，若在机组运行期间发生不可控的唇边焊泄漏，可能带来一回路不可识别泄漏率。为避免该类阀门运行期间唇边焊泄漏，核电厂采用VELAN生产的RAMA手动一体式截止阀取代了分体式阀门。然后，为了确定一体式阀门的阻力特性，利用CFD方法对阀门的阻力特性进行了分析。经分析确认，新阀门的当量长度L/D为282.3，测温旁路系统阀门L/D？燮340的要求。

【参考文献】

[1]福清1号机组测温旁路阀门改造研究[J].科技视界，2016，13：1-2.

[2]数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.endprint