中核苏阀科技实业股份有限公司 (江苏苏州 215151) 汤晓刚 刘 平 高志岗
中国核电工程有限公司 (北京 100840) 孙佳丽 杨理烽 张 卫
【摘 要】以华龙一号用主给水隔离阀为例介绍了大口径电动闸阀快速启闭功能的实现过程,分析了实现快速启闭功能对阀门造成的影响及解决方法。
【关键词】华龙一号 核级 大口径 闸阀 快速启闭
一、前言
核电阀门作为核电站中重要的安全设备,部分阀门必须具有快速启闭功能,如主给水隔离阀是用于核电站主蒸汽管道出现破口时对主给水管线进行快速隔离,需要在20s内能够快速启闭。
二、阀门启闭时间分析
式中 t理论——理论启闭时间,单位为s;
l——阀门行程,单位为mm;
n——电装转速,单位为r/min;
P螺距——阀杆螺距,单位为mm。
根据式(1),阀门的启闭时间与阀门的行程成正比,与电装转速和阀杆螺纹螺距成反比。
三、主给水隔离阀的快速启闭功能分析
主给水隔离阀(见图1)公称通径DN450,公称压力900lb(1lb=0.45kg),属于大口径电动高压闸阀,经过详细设计后其行程l=384mm。根据式(1),为了使主给水隔离阀能够在20s内快速启闭,必须从阀杆螺纹螺距p螺距和电装转速n入手。
图1 主给水隔离阀
1.阀杆螺纹螺距的确定
根据阀杆应力计算,主给水隔离阀最终选用了φ70mm的阀杆,且为了实现快速启闭功能,阀杆螺纹确定为螺距为10mm的双头梯形螺纹Tr70X20(P10),即P螺距=20。
2.电动执行机构的选择
主给水隔离阀需根据阀门的鉴定等级,启闭力矩选择合适的电动执行机构,还需考虑阀门的快速启闭要求,最终选择了鉴定等级为K3*,额定力矩为6000N·m,电动机转速n为70r/min的电动执行机构。
根据式(1),得出主给水隔离阀理论启闭时间t理论为16.5s,且最终试验所测得的实际时间t实际为17.3s,可以实现在20s内快速启闭的功能。
四、快速启闭功能对阀门的不利影响及解决方案
1.水锤效应
对于主给水隔离阀水锤效应是指由于阀门突然关闭,原本在管道内流动自如的水流在惯性的作用下,产生水流冲击波,水流冲击波的力会很大,对阀门及管道均有一定的破坏力。为了避免水锤效应对阀门及管道产生破坏,电装中设置了高速缓冲装置,选取的电动执行机构有延时功能,即阀门部分行程可以按正常速度运行,即将关闭时部分行程可按低速运行,以避免管道中水流压力有较大波动。
2.对阀体及阀杆产生的冲击力
由于主给水隔离阀需在20s内实现快速启闭,在阀门关闭的瞬间闸板架将对阀体底部凸台产生的冲击力(见图2)。
图2 阀门关闭时冲击力
1.阀杆 2.阀板架 3.阀体凸台
式中 F冲——冲击力,单位为N;
∆t——作用时间,单位为s;
m——运动部件质量,单位为kg;
∆v——关闭瞬间速度差,单位为m/s。
其中∆t通常碰撞时间很短,取∆t=0.01s;m为阀门
启闭过程中的运动部件重量,运动部件包括闸板架、闸板、弹簧、限位架和阀杆,总重量为242.4kg,即m=242.4k g;∆v为阀门运动部件碰到阀体底部凸台而停止的速度差,由于阀门行程l=384mm,行程时间t实际=17.3s,即∆v=0.023m/s。
根据式(2),F冲=558N。
阀体底部凸台在阀门关闭瞬间受到的总轴向力F,即F杆和F冲之和,计算得阀杆轴向力F杆=427 969N,即F=428 527N,阀体底部设计有φ60mm凸台,从而阀体底部凸台受到的压强为:
式中 p底——阀体底部凸台压强,单位为MPa;
F——总轴向力,单位为N;
S凸——阀体底部凸台面积,单位为m2。
根据式(3),p底= 1 5 1 . 6 M P a,小于阀体材料M1112/20MN5M的屈服强度Sy=229MPa,即阀体有足够的强度抵御该冲击力。
3.对阀杆和阀杆螺母螺纹强度的影响
阀杆螺母和阀杆的螺纹选用了传动效率较高,螺纹强度较大的梯形螺纹,规格为Tr70X20(P10),查梯形螺纹表可得:阀杆螺母内螺纹大径D4=71mm,阀杆外螺纹中径d2=65m m,阀杆外螺纹小径d3=59m m,
基本牙型高度H1=10m m,阀杆与阀杆螺母旋合圈数n=10,下面对螺纹进行强度验算。
(1)耐磨性分析
式中 p——螺纹工作比压,单位为N/mm2;
F——总轴向力,单位为N;
d2——阀杆外螺纹中径,单位为mm。
根据式(4),p=20.99N/mm2。由于阀杆运动速度v=0.023m/s,且螺纹副材料为钢对青铜,查《机械设计手册》表11-1-9得许用压强[p]=25N/mm2,即p<[p]。
(2)阀杆螺母螺纹强度校核
1)剪切应力校核。
式中 τ——剪切应力,单位为N/mm2;
D4——内螺纹大径,单位为mm;
b——螺纹牙根部的宽度,梯形螺纹b=0.65P螺距
(GB5796.1-1986)。
根据公式(5),τ =14.79N/mm2。查《机械设计手册》表11-1-10得许用剪切应力[τ]40N/m m2,即: τ<[ τ]。
2)弯曲应力校核。
根据式(6),σb=34.12N/mm2。查《机械设计手册》表11-1-10得许用剪切应力[σb]=60N/mm2,即σb< [σb]。
(3)阀杆螺纹强度校核同(2)计算,验算阀杆螺纹的剪切应力及弯曲应力,计算得应力值均小于许用应力值。
综上可得阀杆和阀杆螺母的螺纹能够承受阀门本身工况和快速启闭造成的冲击力。
五、结语
以主给水隔离阀为例,介绍了大口径电动闸阀快速启闭功能的实现过程,并分析了实现快速启闭功能对阀门造成的影响及解决方法,为需实现快速启闭功能的同类阀门提供了参考。
(来源:中国泵阀第一网)