核电站用弹簧式安全阀的颤震现象及解决方案

1、概述

　　安全阀是受压设备、容器或管路上的超压保护装置。当设备、容器或管路内的压力升高超过允许值时,阀门自动开启,继而全量排放,以防止设备、容器或管路内的压力继续升高。当压力降低到规定值时,阀门应自动及时关闭,从而保护设备、容器和管路的安全运行。核电站中采用了大量的弹簧式安全阀,其中部分介质为液体的弹簧式安全阀,在运行过程中可能由于阀门的颤震导致波纹管断裂,或者引起其连接管道的破裂,对系统的安全性及可靠性带来了一定的影响。

2、颤震分析

　　弹簧式安全阀利用弹簧压缩力对阀瓣加载、用以调定开启压力并在介质直接作用下开启,从而实现对受压设备、容器或管路的超压保护。弹簧式安全阀具有结构简单、调整灵活、可靠性高等特点,但其也存在阀门泄漏、开启压力漂移和颤震现象等。颤震是指安全阀的阀瓣迅速异常的来回运动,在此过程中,阀瓣不接触阀座。当被保护设备内压力异常升高达到开启压力时,阀门自动开启,此时设备内介质得以排放。当被保护容器内的压力还高于起跳压力时,安全阀进口管的压力已经低于回座压力,安全阀回座。在很短的时间内,通过压力传递,阀门进口管内的压力又达到起跳压力,阀瓣上升,如此循环,产生颤震。

　　弹簧式安全阀的颤震现象主要缘于阀门自身设计的缺陷或阀门运行条件的特殊情况。如阀门选用弹簧的刚度过大,阀门启闭压差小(即开启压力与回座压力差值较小) ,阀门排量小,导致开启后排放不充分,或工作介质为不可压缩的液体,工作压力远小于整定压力,进口管长度与管径之比大,背压过大,进口流道压力损失过大及在L/D较大的情况下阀门所连接的箱罐体积过大。

　　弹簧式安全阀的颤震现象可能引起被保护设备、容器或管路介质的异常排放,并且由于阀门颤震引发的振动可能导致连接管道的破裂。对于弹簧式安全阀,可通过加装阻尼器或者改进阀门设计,消除颤震现象,保证系统或设备的正常运行。

3、阻尼器工作原理及特点

　　对于在电站运行过程中发生过颤震的安全阀,可以采用加装阻尼器的方法,通过施加于安全阀阀杆上的阻尼力,使得阀门在回座前充分的排放被保护设备、容器介质,从而消除颤震现象。

3.1、油压式阻尼器

　　油压式阻尼器(图1)通过阀杆的位移使流体在两个腔室之间流动。阀杆上升时,流体通过调节孔和隔膜孔(类似于止回阀)进行流通,此时上下腔室的压差很小,可以忽略不计,不影响阀门的开启时间。阀门关闭阀杆下降时,隔膜孔关闭,流体仅通过调节孔流通,此时上下压差产生一个向上的力,避免阀门的快速回座,从而消除频繁颤震的现象。油压式阻尼器是一种独立的装置,便于维修、运输和安装,在阀门关闭时可防止阀瓣撞击保护密封面,同时维持阀门在超压时的性能。其波纹管设计可适应阀杆位移导致腔室的体积变化和温度变化,并通过外置的调节孔进行阻尼作用的调节。由于采用油作为水力流体和采用波纹管设计,使得该动力密封系统产生的摩擦力可以忽略不计。

1.连接杆　2.阻尼器主体　3.隔膜片　4.塞 5.波纹管　6.调节孔

图1　油压式阻尼器

3.2、机械式阻尼器

　　机械式阻尼器(图2)是在弹簧式安全阀的阀杆连接轴上安装一个起制动作用的装置,弹簧力通过圆锥形的石墨垫圈,将轴向的载荷转化为径向作用力,减小阀杆的振动。在阀门关闭时,通过制动装置内弹簧的压缩挤压石墨垫圈,产生的摩擦力使阀杆下降速度变缓。机械式阻尼器结构简单,成本较低,便于安装和维修,即能解决阀门颤震问题,又不影响阀门密封性能。

图2　机械式阻尼器

4、自稳式安全阀

　　自稳式安全阀是弹簧式安全阀的一种改进结构(图3),其通过在阀瓣下连接一个盘片(盘片的直径D >喉径d) ,并在盘片上开孔及在盘片的侧面开槽的方式,实现阀门的快速开启及缓慢回座,从而避免阀门颤震现象的产生。当压力容器的压力达到设定压力,阀门在开启瞬间(0.1s) ,腔A的压力迅速释放8%～10% ,释放的速度大于通过盘片小孔补充的速度,导致上下腔产生一个压差,使阀门迅速开启,避免了震动和噪声。阀门开启后,介质可以通过盘片上的小孔和侧面的槽孔排出。当压力降低到设定压力后,阀瓣开始回座。阀门回座的速度一开始很快,当盘片侧面的槽孔进入喉径内时,介质排出的面积开始减小,阀瓣越往阀座靠近,槽孔被挡住越多,当阀瓣即将接触阀座的时候,介质只能通过小孔。随着面积的逐步减小,缓冲的力量逐步增大,使得阀瓣最后轻轻地贴合在阀座上。

　　自稳式安全阀具有高可靠性、稳定的开启和关闭、适用介质多样化等优点,但其盘片上的小孔和侧面槽口需进行精确的计算及加工,以满足对阀门正常运行的相关要求。

(a)关闭状态PA< PB(b)开启状态S>S1

图3　自稳式安全阀

5、结语

　　弹簧式安全阀存在的颤震现象已经引起了国内外核电厂及监测部门的重视。在安全阀的选择过程中,需要对可能存在的颤震现象进行考虑,部分厂家甚至推荐大量安装阻尼器或者使用自稳式安全阀。但是,由于存在太多的不可确定性,颤震现象无法通过理论分析或者相关的试验来确定其是否会产生,而加装阻尼器对于阀门的影响也无法判断。自稳式安全阀的设计在国外部分电站已经有所应用,为阀门颤震现象的消除提供了一种新的考虑方案。