阀门是通过改变其内部流通截面积而控制管路内介质流动的管路附件。它在动力装置中有如下基本作用:
输送流体介质离不开管路,而控制介质流动则离不开阀门。管路阀门在核电厂的所有回路、管道、动力设备、储液箱、各种容器和水池,以及利用或传送液体、气体介质有关的部件上均有设置。因此,在核电厂中,阀门的数量很大,而且种类非常之多,是很重要的设备。阀门的安全与核电厂的安全运行关系甚密,从以往的核电厂所发生的事故的统计材料来看,因阀门故障而引起的事故占相当大的比重,美国的三哩岛核电厂的事故就是例证。
对阀门的分类,可按阀的作用、驱动方式、公称压力、工作时候的温度、介质形式等几个维度进行,因而也就有了截断阀、安全阀、高压阀、高温阀、气阀、电动阀等种种称谓。此外,还可按阀体材料、使用部门、阀门启闭件运动方式等进行区分。
为统一起见,我国标准按驱动方式、作用和结构特点把通用阀门分为十一类,综合列表如下:
阀门的基本信息参数包括公称通径、公称压力和适用介质等。它们一般与表示介质流动方向的箭头等组合,以钢号、铭牌等方式标识在阀体上,是阀门使用者一定要了解的基本数据。
(1)公称直径Dg:阀门与管道连接处通道的名义直径,单位毫米。它是阀门最主要的尺寸参数,表示阀门规格的大小。
(2)公称压力Pg:阀门在基准温度下允许的最大工作所承受的压力。它是阀门最主要的性能参数,说明阀门承压能力的大小。
(3)适用介质:按照选用材料和结构及形式不同,各种各样不同型号的阀门都有一定的适用介质范围,在使用中应予考虑。
(4)强度试验压力:对阀门进行水压强度和材料紧密性试验时的压力,与Dg值有关。
(5)密封试验压力:对阀门密封面密封性检验时的压力。一般地,它等于公称压力。
国产阀门型号表示方法目前仍采用JB308-75“阀门型号编制方法”的规定,使用者通过铭牌便可知阀门的结构、材质和特性等。JB308-75规定的阀门型号表示分为七个单元,各单元代表的含义如下:
其中单元①、⑤、⑦以汉语拼音字母作代号,而单元②、③、④为数字代码。在单元⑤与⑥之间用横线连接。
注:低温(低于-40C)、保温(带加热套)和带波纹管的阀门,在类型代号前分别加“D”、“B”
2对于气动或液动:常开式用6k、7k表示;常闭式用6a、7a表示;气动带手动用6s表示;防爆电动用9b表示。
2. 当阀座和阀瓣(闸板)密封面材料不同时,用低硬度材料代号表示(隔膜阀除外).
公称压力数值用阿拉伯数字表示,取以MPa为单位数值的10倍,用于电站工业的阀门,当工作时候的温度超过530℃时,按GB1048第5条的规定标注工作所承受的压力。
注:Pg1.6MPa的灰铸铁阀体和Pg2.5Mpa的碳钢阀体省略本代号。
遇有疏水阀产品型号前带字母“C”,主要是为和原淘汰疏水阀产品型号加以区别,例如原淘汰圆盘式蒸汽疏水阀的型号是S19H-16,经采用新国标后改进设计的圆盘式蒸汽疏水阀的型号是CS19H-16。
(1) 手动、法兰连接、明杆楔式双闸板、阀座密封面材料由阀体直接加工、公称压力Pg=0.1MPa。阀体材料为灰铸铁的闸阀:
(2) 气动、外螺纹连接、浮动直通式、阀座密封面材料为氟塑料、公称压力1.6MPa,阀体材料为1Cr18Ni9Ti的球阀:
(3) 防爆电动、焊接连接、直通式、阀座密封面材料为硬质合金、温度在540℃时其工作压力17MPa,阀体材料为铬钼钒钢的截止阀:
核电厂中,大部分阀门所用钢材与设备承压部件相同。核蒸汽供给系统中的设备和管道上一般都会采用不锈钢,基本不允许使用铸铁阀门,而在常规岛可使用。表1.1-17~表1.1-20列出了常用材料。
2Cr13(表面镀铬或高频淬火等强化处理) 320 450 高、中压阀门
尽管各种阀门结构及形式千差万别,但其基本的结构及形式是相同的,都是由驱动和执行两大部分所组成。驱动部分包括驱动装置、传动部件、阀杆等,其作用是输入和传递启闭阀门所需的力矩;执行部分包括阀体、阀盖和启闭件等,其作用是完成阀门的启闭或调节。
阀体、阀盖是阀门的主要承压部件。阀体和阀盖一般会用法兰或螺纹连接,另一种连接方式是无法兰连接,但在核电厂中这种连接运用得很少。阀体和阀盖连接在一起,其内部构成一个空间,容纳阀杆、启闭件等,并形成介质的流动通道。
(1)直通式:直通式阀体的进口与出口通道成一直线,经过阀前后介质的流动方向不变。除安全阀外,其余十类阀门均可做成直通式。
(2)角式:它的进口与出口通道形成直角,当介质流过阀门后,其流动方向发生改变。截止阀、节流阀、安全阀均可做成角式。
(3)多通式:其介质通道有三个或更多。介质进出口的方向、通道数及其布置视详细情况的要求。此阀体常见于球阀和旋塞阀。
不同类型阀门的阀体形状不相同,与其有关的因素是阀门的使用上的要求、阀体的强度及介质流动特性。
阀盖位于阀体上方,与阀体连接在一起。阀盖多半呈半椭球状或元盘状。阀盖上加工了填料函,以便在内部充填密封填料,保持阀杆密封。
启闭件与阀座是阀门的关键零件。阀门对流动介质的控制是通过改变启闭件与阀座的相对位置来实现的。当启闭件与阀座紧密接触时,阀门处于关闭状态,截断介质流动;当启闭件离开阀座时,阀门处于开启状态,接通道路中介质;当启闭件处于中间位置时,阀门处于调节状态。
阀门处于关闭状态时,启闭件与阀座紧密接触的两个表面称为密封面。密封面在的零件称作密封圈,阀体密封圈固接在阀体上,形成阀座。启闭件密封面与阀体密封面构成一对密封副。
各类阀门的启闭件形式不同,其运动方式也不同。启闭件主要有截止型、闸门型、旋塞型、旋启型和蝶型等五种形式。
启闭件与阀杆的连接不仅应牢固可靠,且要保证它的对中。启闭件与阀杆的连接方式主要有三种:
(2)连接圈连接:用金属连接圈嵌入启闭件和阀杆的连接槽将两者连接起来。
(1)平面密封:启闭件密封面与阀体密封面均为平面。对截止阀来说,其优点是两密封面之间在启闭时无擦伤现象,且维修方便。缺点是关闭时用力大,密封面上易积存杂物而影响密封性能。
(2)锥面密封:启闭件密封面与阀体密封面均为锥面。它在关闭时用力较小,密封面上不易积存杂物,密封性能较好;但关闭时两密封面易产生擦伤,且维修不方便,阀瓣与阀座的对中也较困难。
(3)球面密封:阀瓣与阀体密封面中有一个是球面。它的密封性能好,但维修困难。
(4)刀形密封:在相接触的两个密封面中有一个呈刀口形。由于它的接触面积小,同样的密封力能够获得较高的密封比压,因而密封性能好;这种密封形式因密封面易于损坏,所以较少应用,仅适用于线)种密封是常见的密封形式,但在GNPS阀门中也出现了不少球面密封结构。
阀杆是园形截面的细长杆,上端接驱动装置,下端与启闭件相连。其作用是传递驱动装置输入的力矩,使启闭件动作。
阀杆上的传动螺纹一般都会采用公制T形螺纹,有时也采用公制普通螺纹或细牙螺纹。有上螺纹阀杆和下螺纹阀杆之分。上螺纹阀杆的螺纹位于阀杆的上半部,在阀体外面,不受介质腐蚀;下螺纹阀杆的螺纹位于阀杆的下半部,在阀体内部,与介质接触并受其腐蚀。
阀杆是阀门的主要受力零件。在启闭过程中阀杆承受压缩和扭转作用。对于截止阀,阀杆主要承受压缩作用;而对于旋塞阀、蝶阀和球阀,阀杆主要受扭转力作用。
通过阀盖与阀杆之间间隙的介质泄漏为外漏。外漏严重时会影响管路和设备正常运行,特别是对有放射性的介质,泄漏会引起放射性污染,对人身安全造成威胁。因此必须设置密封防止介质外漏。
最常用的阀杆密封结构是填料函密封。在阀盖填料函内填充具有一定弹性的密封填料,用填料压盖压紧,使填料与阀杆外表面和填料函内侧紧密接触,并形成一定的密封比压。这样即使在阀内较高介质压力作用下,也不会在阀盖与阀杆配合处产生间隙,从而防止介质外漏。
填料函的结构型式有多种,应用场合也不一样。不同结构型式填料函的不同之处在于填料压盖。国内常用填料函结构及形式如下:
(1)压套螺母式:用压套螺母通过填料压盖压紧填料。由于螺纹尺寸不宜过大,故压紧力较小。
(2)带孔式填料压盖填料函:采用T形螺栓和带有两个螺栓孔的压盖来压紧填料。由于压盖尺寸不受限制,压紧力可以很大,常用于中低压大口径阀门。
(3)开口式填料压盖填料函:采用铰链螺栓和开口式填料压盖来压紧填料。这种型式的填料函更换填料非常容易,适用于大中口径高中压阀门。
(4)螺纹填料压盖式填料阀:在阀盖填料函的内侧和填料压盖的外侧加工出螺纹,将填料压盖拧入填料函内,便可压紧填料。这种型式现已很少采用。
手动是最基本的驱动方式。它包括用手轮、手柄或扳手直接驱动和通过传动机构进行驱动两种。当阀门启闭力矩较小时,可采取直接驱动方式;而当阀门启闭力矩较大时,可通过齿轮或蜗轮传动机构进行驱动,以达到省力的目的。
由于核电厂的使用工质具有放射性、高温、高压的特点,许多场合要采用远距离操纵方式,因而电力驱动、电磁驱动、气动、液压驱动等方式选用较多。在GNPS中电动和气动是主要的两种驱动方式。
电磁驱动是以电磁线圈通电后产生的磁力吸合或释放阀杆来启、闭阀门的。其特点是阀门启闭迅速、阀杆行程短、驱动力小。因其特点,它在核电厂中大多数都用在需急开急关的小管道,及作为控制器件使用。
电力驱动系统一般由专用电动机、减速器、转矩限制机构、行程控制机构、手——电切换、开度指示器和控制箱等组成。
阀体与管道的连接应满足以下要求:在内压作用下以及与管道相邻部分的力和力矩作用下的强度要求,在整个运行期间的密封要求,拆卸阀门的可能性以利于检修及更新。有两种连接方式。
它阀体与管道的最重要的连接之一,其缺点是当拆卸或更换阀门时,必需切割阀门,费工又费时。除此之外,焊接连接能满足上述要求。为了采用焊接连接,在阀体上要有供焊缝使用的相应尺寸和形状的管接头。在进行对接焊时,为避免金属熔化影响光滑的流道,需要在对接焊缝时采用一个衬环。
在要求快速更换损坏了的阀门的场合,采用法兰连接。常用于安全阀、调节阀、液位调节器、垂直式止回阀等场合。
阀门的各项基本性能是衡量阀门产品设计水平和加工质量的主要指标,也是对阀门的使用、检修情况做判断的基本依据。
是指阀门承受介质压力的能力。阀门是承受内压的机械产品,因而一定要有足够的强度和刚度,以保证经常使用而不发生破裂或发生变形。对一回路系统用阀在运行工况下强度性能的评价,应依据适当的强度理论、按照有关规范中的规定进行。
是指阀门各密封部位阻止介质泄漏的能力,它是阀门最重要的性能指标。阀门的密封部位有三处:启闭件与阀座两密封面间的接触处;填料与阀杆和填料函配合处;阀体与阀盖的连接外。其中前一处的泄漏叫内漏,也就是通常所说的关不严,它将影响阀门截断介质的能力。对于截断阀类来说,内漏是不允许的。后两处的泄漏叫外漏,即“跑、冒、滴、漏”,它影响装置的正常运行,严重时还会造成事故。对一回路系统用阀,外漏更是不能允许的,否则,相当于小破口失水事故。因而阀门一定要有可靠的密封性能。
介质流过阀门后会产生压力损失,即阀门对介质的流动阻力。介质为克服阀门的阻力就要消耗一定的能量,阀门的局部流动损失用介质流过阀门的压力损失来表示。
阀门流动阻力的大小用局部阻力系数ζ来表示,它与阀门类型、结构及形式、阀内通道的尺寸、通道内表面加工状况等因素相关,要通过试验来确定它的数值。
开启或关闭阀门所必须施加的作用力或力矩。它用于克服阀杆与填料间、启闭件与阀体间等处的摩擦力;及保证密封面形成一定的密封比压等。在启闭过程中,启闭力和启闭力矩是变化的,其峰值在启、闭的瞬时出现,因此要注意阀门的启闭操作方式,避免损伤密封结构,拉断阀杆。
启闭速度用阀门完成一次开启或关闭动作所需要的时间来表示。一般对阀门的启闭速度无严格要求,但有些工况对启闭速度有特别的条件,如有的要求迅速开启或关闭,以防发生意外事故;有的要求缓慢关闭,以防产生水击。
指阀门对于介质参数变化做出一定的反应的敏感程度。对于节流阀、减压阀、调节阀等用来调节介质参数的以及安全阀、疏水阀等具有特定功能的阀门来说,其动作的灵敏度与可靠性是十分重要的性能指标。
它表示阀门的耐用程度,是阀门的重要性能指标,并有很大的经济意义。通常以能保证密封要求的启闭次数来表示,也可用使用时间来表示。
根据GB11943-89,电厂阀门在图纸上的表示符号列于表1.1-21。
闸阀是一种常用的截断阀,用来接通或截断管路中的介质,但不适于用来调节介质流量。它的启闭件(闸板)在垂直于阀内通道中心线的平面内作升降运动,像闸门一样截断介质,故称作闸阀。
(1)流动阻力小。闸阀阀体内部介质通道是直通的,介质流经闸阀时不改变其流动方向,因而流动阻力较小。
(3)启闭较省力。启闭时闸板运动方向与介质流动方向相垂直,而截止阀阀瓣通常在关闭时的运动方向与阀座处介质流动方向相反,因而必须克服介质的作用力。所以与截止阀相比,闸阀的启闭较为省力。
(4)介质流动方向不受限制。介质可以从闸阀两侧任意方向流过闸阀,均能达到接通或截断的目的。便于安装,适用于介质的流动方向可能改变的管路中。
(5)高度大,启闭时间长。由于开启时需将闸板完全提升到阀座通道上方,关闭时又需将闸板全部落下挡住阀座通道,所以闸板的启闭行程很大,相应地其高度大,启闭时间比较久。
(6)密封面易产生擦伤。启闭时闸板与阀座相接触的两密封面之间有相对滑动,在介质力作用下易产生擦伤,从而破坏密封性能,影响正常使用寿命。
闸阀仅供截断或接通管路中的介质,不宜用来调节介质的压力或流量。如长期用于调节,密封面会被介质冲蚀,不能确保其密封性。
闸板是闸阀的启闭件,其结构及形式有斜座和平行座式两类。GNPS闸阀的主要形式有:
·斜座闸阀:单闸板(图2.1-1a),双闸板或双盘件(图2.1-1b)。
·平行座闸阀:双闸板式和自由膨胀式(图2.1-2a)和止动装置式(图2.1-2b)。
斜座闸板的密封面与闸板垂直中心线成一定倾角,称为楔半角。楔半角的大小主要根据介质的温度和通径的大小,一般介质温度越高、通径越大,所取楔半角越大,以防止气温变化时闸板被卡住,无法开启。根据使用压力,一般单闸板的形状是扁平(PN10)、椭园(PN10)、园柱—球形(高压)。对斜座单闸板的使用限制是:不适用于阀体变形的场合。因此,对以下情形下使用要注意防止闸板卡死: