池式低溫供熱堆用自然循環閥門的結構設計與計算

周寅鵬，張金山，衣大勇，范月容，姚成志，石辰蕾，郭志家，彭朝暉，柯國土，劉興民

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

池式低溫供熱堆適用于我國多數供熱網，供水溫度在100 ℃以下，是一種較為經濟合理的供熱方式[1]。該反應堆將堆芯固定在一個常壓水池的深處，利用水層的靜壓力提高堆芯的出口溫度，再將反應堆產生的熱量通過一二回路兩級換熱傳遞給供熱回路，并將供熱回路與熱網直接相連，將熱量輸送到需求用戶。

自然循環閥門安裝于池式低溫供熱堆堆芯容器的側壁，其整體結構完全浸泡在池水中，是堆芯余熱排出系統的關鍵設備。該閥門的關閉是通過由堆水池回水管引出的射流管的射流沖擊和系統的循環壓力差實現的；而當主泵事故停轉后，射流停止，閥門內外兩側的壓差減小到一定程度后閥門在自身重錘組件的重力作用下非能動開啟，實現池水對堆芯的自然循環冷卻。可見，自然循環閥門需同時滿足關閉可靠性及開啟即時性的要求，且其性能對保證反應堆的安全具有重要意義。

1 功能及參數描述

自然循環閥門的功能如下。

(1)反應堆一回路主泵工作時，在外部射流作用下，自然循環閥門能夠保持閉合，以保證堆芯內部流體與水池內流體的有效隔離，避免無效漏流。

(2)反應堆一回路主泵事故停轉后的初期，自然循環閥門在外部射流和一回路主泵惰轉吸力的作用下，仍然保持閉合，在主泵慣性流量作用下保障堆芯的循環冷卻功能。

(3)反應堆一回路主泵完全停轉后，自然循環閥門在重錘組件自重作用下非能動開啟，以聯通堆芯內部與池內流體，建立自然循環過程，實現池水對堆芯的自然循環冷卻。

根據低溫供熱堆構件分級準則，自然循環閥門的安全級別為SC-3，抗震類別為Ⅰ類，質保等級為QA2，設計應滿足RCC-M規范[2]第2冊D篇的相關要求，其具體設計參數如下。

(1)池水溫度：68 ℃；

(2)工作介質：輕水；

(3)閥門通流面積：≥0.031 5 m2；

(4)閥門開啟角度：≥45°；

(5)閥門開啟壓差：1 000 Pa。

2 結構設計

自然循環閥門主要由閥座、密封組件、轉軸組件、閥桿及重錘組件等結構組成，其主體材料選為Z2CN19—10(控氮)，與反應堆堆內構件主體材料相同，焊材選為ER308L。閥門的結構示意圖如圖1所示，其中圖1(a)為自然循環閥門關閉狀態，圖1(b)為自然循環閥門開啟狀態。

圖1 自然循環閥門結構示意圖Fig.1 Scheme of Naturalcirculation valve

如圖1所示，閥座為閥門的固定部件，與反應堆堆芯容器側壁焊接連接；密封組件與閥桿及重錘組件相連接，共同組成閥門的轉動部件，可通過轉軸組件在一定角度內一起旋轉，以實現閥門的關閉及開啟功能。

當一回路主泵啟動后，支管路射流作用于密封組件外表面，給予密封組件以足夠的推動力矩，保證閥門實現關閉動作，同時，待閥門關閉后，在主泵的作用下，閥門內部的壓力低于閥門外部水池的壓力，在壓差和射流水柱的作用下可以保證密封組件的有效關閉和密封；當反應堆事故停堆后，主泵停轉，射流停止，待閥門內外壓差逐漸減小至某一限值后，密封組件在重錘組件重力作用下旋轉開啟，堆芯容器內、外流體聯通，自然循環過程隨之建立。

2.1 閥座結構

閥座由筒體、密封面和支撐座等結構組成。其中，筒體與堆芯容器側壁焊接連接，形成連接堆芯內、外流體的通道；密封面為凹槽結構，閥門關閉時與密封組件共同實現閥門的密封；筒體下部焊接有支撐座，支撐座與轉軸組件連接，為轉軸組件提供支撐，閥門的旋轉部件可繞轉軸組件進行旋轉。

2.2 密封組件

密封組件主要由密封板、密封蓋、彈簧組件及相關連接緊固件等結構組成。其中，密封板通過連接臂與閥桿及重錘組件相連，共同組成繞轉軸組件旋轉的轉動部件，實現閥門的關閉及開啟動作；閥門關閉后，密封蓋與閥座的凹槽密封面緊密貼合，以實現閥門的有效密封；另外，密封蓋通過彈簧組件與密封板相連，這樣的結構設計使得密封組件在閥門關閉的瞬間得到有效的緩沖，防止密封蓋及閥座密封面因沖擊力過大發生損壞或變形。

2.3 轉軸組件

轉軸組件主要由軸套、鉸鏈軸、擋圈、墊片等結構組成。其中，軸套與閥座的支撐座進行固定，閥門的轉動部件通過鉸鏈軸旋轉，完成閥門的關閉或開啟。另外，轉軸組件外側設置有位置開關，用來在線監測閥門的開啟角度。

2.4 閥桿及重錘組件

重錘組件通過連接螺母與閥桿進行固定。由于自然循環閥門是通過重錘組件的重力實現閥門的非能動開啟的，所以必須合理設置重錘組件和連接螺母的重量以及閥桿的長度，才能得到準確的開啟力矩，這也是自然循環閥門結構設計中關鍵的設計參數。

3 設計計算

3.1 計算內容與目的

根據自然循環閥門的關閉及開啟要求，結合第1節的相關設計參數，須對閥門的結構設計進行設計計算，以驗證閥門的設計是否滿足功能要求。

自然循環閥門的設計計算主要包括閥門的關閉及開啟兩個方面。首先，要計算開啟壓差為1 000 Pa時閥門能否在重錘作用下實現非能動開啟，且開啟角度達到45°；另外，還要通過分析計算，得到滿足閥門關閉要求所需最小射流力矩，以對射流支管路進行合理設計。

3.2 計算輸入

自然循環閥門各個零部件的重力如表1所示。在下文中，密封組件的重力用G1表示，連接臂的重力用G2表示，重錘組件的重力用G3表示，閥桿的重力用G4表示，連接螺母的重力用G5表示。

表1 閥門各零部件設計參數Table 1 Design parameters of each part of the valve

閥門在45°開啟狀態及關閉狀態下各零部件的重心位置及重力相對于旋轉中心線產生的旋轉力臂如圖2所示，其中，在關閉狀態下，密封組件的力臂L1=0.13 m，連接臂的力臂L2=0，重錘組件的力臂L3=0.268 m，閥桿的力臂L4=0.172 m，連接螺母的力臂L5=0.283 m，射流作用產生的力臂L6=0.33 m；在45°開啟狀態下，密封組件的力臂L11=0.13 m，連接臂的力臂L22=0.181，重錘組件的力臂L33=0.268 m，閥桿的力臂L44=0.172 m，連接螺母的力臂L55=0.283 m。另外，閥門的開啟壓差ΔP=1 000 Pa，閥門的有效面積S=0.089 m2。

圖2 重心及力臂示意圖Fig.2 Center of gravity and arm of force

3.3 計算準則

根據第3.1節計算內容與目的的要求，自然循環閥門需要滿足如下計算準則。

(1)自然循環閥門開啟狀態下，要求滿足：密封組件及連接臂對旋轉中心線的力矩≈重錘組件、閥桿及連接螺母對旋轉中心線的力矩。

(2)自然循環瓣閥關閉狀態下，要求滿足：密封組件、連接臂及閥門內外表面壓差對旋轉中心線的力矩>重錘組件、閥桿及連接螺母對旋轉中心線的力矩。

3.4 計算結果

根據第3.3節計算準則要求，可得到閥門全開狀態時應滿足力矩平衡關系式(1)；閥門在閉合狀態臨界開啟時應滿足力矩平衡關系式(2)。

G1L11+G2L22=G3L33+G4L44+G5L55

(1)

G1L1+G2L2+ΔPSL6=G3L3+G4L4+G5L5

(2)

將第3.2節設計輸入值帶入以上關系式中，通過計算，可得到設計參數滿足上述平衡關系式要求，即說明自然循環閥門滿足在1 000 Pa下實現開啟且閥門開啟角度為45°的要求。

另外，在現設計參數下可以計算出閥門的最大開啟力矩為ΔPSL6=28 N·m，則在射流管的設計中，只需要保證射流力矩大于28 N·m，即可保證自然循環閥門在射流作用下能夠實現關閉功能。

4 結論

自然循環閥門是低溫供熱堆堆芯余熱排出系統的重要設備，是通過水力關閉非能動開啟的一種特殊結構的閥門。本文對自然循環閥門的結構設計進行了說明，并結合相關設計參數對閥門的關閉及開啟性能進行了力矩平衡分析計算，計算結果表明，本閥門的結構設計滿足功能要求。

目前，本自然循環閥門已完成相關設計工作，并將在后續工作中進行等尺寸模擬件的加工，以開展相關性能試驗的驗證。