CN111365503A - 一种气体用核电减压阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体用核电减压阀，阀体上设有两级减压阀单元，分别为第一级减压阀单元和第二级减压阀单元，阀体的一侧设有进口腔，另一侧设有出口腔，进口腔与第一级减压阀单元连通，出口腔与第二级减压阀单元连通，第一、第二级减压阀之间通过d流道相连通。一级减压单元采用高刚度弹簧，快速将高压粗调至中间压力值。二级减压单元采用高精度低刚度弹簧，将出口压力稳定在设定值。两级减压装置单元化设计，可线下整体组装，更换维护方便。由于采用水平左右布置，节约了垂直安装空间，满足工况需求。本减压阀采用流开型结构设计，防止了减压阀在失效状态下完全关闭。

Description

一种气体用核电减压阀

技术领域

本发明涉及减压阀的技术领域，具体地说是一种气体用核电减压阀。

背景技术

目前,减压阀应用广泛，是各类流体管路系统中不可或缺的压力调节装置。 系统管路运行时，一般通过减压阀，将上游高压减压至下游工艺需求的低压设定 点，并通过介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定。

在某一国家级项目的核电站的高压气体管路中，工况需求如下：

压力需求：进口压力范围是27.58～1.38MPa@26.7℃，出口压力要求 0.83MPa@26.7℃，精度要求±5％。

抗震需求：抗震等级I级三方向加速度6.6g

频率频率：固有频率大于33Hz

空间和重量需求:上下空间受限，不大于41Kg

结构要求：流开型，保证减压阀在失效状态下不会完全关闭。

分析上述要求的减压阀，进口压力最高值27.58MPa，出口稳定压力 0.83MPa，进口压力变化范围27.58～1.38MPa，跨度相差约20倍，出口最大减 压比达到约33倍。

该工况远超现行GB标准要求，按照GB/T12244《减压阀一般要求》减压阀 进口的压力变化一般控制在进口压力的80％-105％，出口压力要求保持稳定。超 过该范围，减压阀的性能会受影响。减压阀阀后压力一般控制在阀前压力的0.5 倍左右。过高过低的阀后压力，会因压缩弹簧过早损坏或阀座口的气蚀破坏，进 而缩短减压阀的寿命，并且使管路运行工况条件变差(如振动和噪音等)。目前 在领域的核电工程应用上，国内无生产厂家制造此类阀门，一直依靠进口，价格 昂贵，且维护不便。

因此，亟须国内厂家能够开发出满足给工况的具有自主知识产权的减压阀 产品，以满足国家重点工程关键设备国产化的战略需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体用核电减压阀，通过设置了两级减压阀, 满足了抗震类气体用核电减压阀的要求，提高了安全性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种气体用核电减压阀，包括 阀体，其特征在于：阀体上设有两级减压阀，分别为第一级减压阀单元和第二级 减压阀单元，阀体的一侧设有进口腔，另一侧设有出口腔，进口腔与第一级减压 阀单元连通，出口腔与第二级减压阀单元连通，第一、第二级减压阀之间通过d 流道相连通，第一级减压阀包括第一阀盖和第一活塞缸，第一阀盖内设有第一活 塞和与第一活塞相配合的第一阀杆，第一级减压阀内从上而下依次设有第一活塞 腔体f、第一活塞缸腔体b和第一阀杆腔体c，第一活塞缸腔体b与进口腔相连 通，第一活塞腔体f通过e流道与d流道相连通，第一阀杆腔体c的底部与d流 道相连通；第二级减压阀包括第二阀盖和第二活塞缸，第二阀盖阀内设有第二活 塞和与第二活塞相配合第二阀杆，第二级减压阀内从上而下依次设有第二活塞腔 体k、第二活塞缸腔体g和第二阀杆腔体h，第二阀杆腔体h通过i流道与出口 腔相连通，第二活塞缸腔体g与d流道相连通，第二活塞腔体k通过j流道与i 流道和出口腔相连通。

优选的，e流道与d流道之间形成第一交叉角，角度为95-135度；j流道 与i流道之间形成第二交叉角，角度为65-89度。

进一步，第一阀盖的顶部设有与之配套的第一调节螺杆，第一调节螺杆上 套设有第一螺母，第一阀盖外部罩设有第一保护套，第一阀盖内部设有第一弹簧 座，第一弹簧座的顶面与第一调节螺杆的底部相抵触，第一弹簧座与第一活塞之 间设有第一主弹簧。

更进一步，第二阀盖的顶部设有与之配套的第二调节螺杆，第二调节螺杆 上套设有第二螺母，第二阀盖外部罩设有第二保护套，第二阀盖内部设有第二弹 簧座，第二弹簧座的顶面与第二调节螺杆的底部相抵触，第二弹簧座与第二活塞 之间设有第二主弹簧。

相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很 多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：

1、本发明所述的改进方案，阀体上设有两级减压阀，分别为两个独立的第 一级减压阀单元和第二级减压阀单元，第一、第二级减压阀之间通过d流道相连 通，由于采用整体阀体结构，减少阀门的泄漏点，增加安全性；

2、本发明的技术方案的中，e流道与d流道之间形成第一交叉角，角度为95-135度；j流道与i流道之间形成第二交叉角，角度为65-89度，这种大角度 斜置流道孔，利用阀体上平面已有的较大的成形孔的空间，来加工阀体内的斜长 的流道孔，避免了对阀体强度的削弱；

3、本发明第一、第二级减压阀单元，分别做成整体结构，线下组装成单元 整体，线上整体装入阀体，更换维护方便，安全可靠，同时安装精度高，可以充 分保证减压阀单元的完好性和可靠性；

4、本发明的采用流开型结构设计，防止减压阀在失效状态下完全关闭。流 开型设计，使得进口介质的压力总是推动阀瓣趋于打开的位置，当减压阀弹簧失 效时，压力会下降，但不会完全闭合，在进口压力作用，阀瓣维持一定开度，能 够保持下游一定压力的流量。失效工况下的下游压力设计预设值为小于等于 2.07MPa。

5、本发明采用整体式结构，水平方向左右布置两级减压单元，便于管线 更换和维护，同时减小了阀门上下安装空间，且操作机构垂直向上布置，可视性 好，更适合于减压单元的压力调节操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明第二阀座的剖视图。

图3为本发明阀体的结构示意图。

图4为本发明阀盖的结构示意图。

图5为本发明活塞的结构示意图。

图6为本发明活塞缸的结构示意图。

附图标记：

1阀体、2第一副弹簧、3第一阀杆、4第一活塞缸、5第一O型密封 圈、11第一活塞、12第一六角薄螺母、13第一主弹簧、14第一弹簧座、15 第一阀盖、16保护套、17第一调节螺杆、18第一螺母；

19第二调节螺杆、20第二螺母、21第二阀盖、22第二弹簧座、23第二 主弹簧、24第二六角薄螺母、25第二O型密封圈、26第二活塞、31第二活 塞缸、33第二阀座、34第二阀杆、35第二副弹簧、36压套；

111台阶孔、112弹簧定位槽、113安装孔；

331 C型橡胶、332连接螺纹、333工艺孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种气体用核电减压阀，具体参见图1，包括阀体，其与现有 技术的区别在于：阀体1上设有两级减压阀，分别为第一级减压阀单元和第二级 减压阀单元，阀体的一侧设有进口腔，另一侧设有出口腔，进口腔与第一级减压 阀单元连通，出口腔与第二级减压阀单元连通，第一、第二级减压阀之间通过d 流道相连通，第一级减压阀包括第一阀盖和第一活塞缸4，第一阀盖15内设有 第一活塞11和与第一活塞相配合的第一阀杆3，第一级减压阀内从上而下依次 设有第一活塞腔体f、第一活塞缸腔体b和第一阀杆腔体c，第一活塞缸腔体b 与进口腔相连通，第一活塞腔体f通过e流道与d流道相连通，第一阀杆腔体c的底部与d流道相连通；第二级减压阀包括第二阀盖21和第二活塞缸31，第二 阀盖阀内设有第二活塞26和与第二活塞相配合第二阀杆34，第二级减压阀内从 上而下依次设有第二活塞腔体k、第二活塞缸腔体g和第二阀杆腔体h，第二阀 杆腔体h通过i流道与出口腔相连通，第二活塞缸腔体g与d流道相连通，第二 活塞腔体k通过j流道与i流道和出口腔相连通。

具体来说，第一、第二活塞从上到下设有三个腔体，分别是活塞腔体、活塞 杆腔体和阀杆腔体，介质首先引入活塞杆腔体，并通过阀杆腔体底部的出口压力 反馈至上部的活塞腔体内，进而反馈给活塞，活塞就会带动阀杆上、下移动，来 调节介质流道口的大小变化，从而稳定第一、二减压阀单元设定的出口压力。

本发明压力调节单元采用左右布置，高低压联合调节机构集中位于管线上 部，操作方便。同时也节约了管线的上下空间，满足现场工况的空间需求。

同时采用整体阀体结构，减少阀门的泄漏点，增加安全性，具体特点如下： 1)无底盖结构常规减压阀下面设置底盖，阀杆弹簧等零部件从下端装入，底盖 与阀体间需设置填料密封。本减压阀通过优化设计，摒弃底盖，阀门零部件统一 从上口装入，减少了常规减压阀下端的阀盖泄漏；2)大角度斜置流道孔通过三 维造型，工艺优化，专业工装定位，利用阀体上平面已有的较大的成形孔的空间， 经数控精密钻削，来加工阀体内的斜长的流道孔。避免了在阀体侧面留下加工 工艺孔，增加泄漏率点，以及避免了工艺孔对阀体强度的削弱。

减压部件整体化：一二级减压单元分别做成整体结构，线下组装成单元整体， 线上整体装入阀体，更换维护方便，安全可靠。线下组装，线下测试，空间大， 可视性好，安装精度高，可以充分保证减压阀单元的完好性和可靠性。同时，整 体式结构，更便于管线更换和维护。特别是本案例工况安装空间小，可视性差， 更适合于减压部件单元化操作。

高低压优化配对：高压端采用高刚度弹簧，硬密封阀座，承压高，耐磨损， 能够快速将高压粗调至中间压力值。低压端采用高精度低刚度弹簧，压力调节精 度高，同事对反馈压力敏感，能够快速响应压力的变化，迅速作出反馈，稳定压 力设定值。低压端密封采用软密封，尽可能降低泄漏率。具体来说,一级减压单 元采用高刚度弹簧，硬密封阀座，快速将高压粗调至中间压力值。二级减压单元 采用高精度低刚度弹簧，软密封阀座，能够快速响应压力变化，并作出反馈，将 出口压力稳定在设定值。

流开型结构设计(即流体的流动方向指向开阀的位置)，防止减压阀在失效 状态下完全关闭，满足案例工况需求。本机构可保证在第一级或第二级失效的情 况下，剩余可运行的一级将出口压力限制在2.07MPa以下。工况案例分析：若第 一级弹簧失效(例如弹簧疲劳断裂)，弹簧从压缩状态转变成自由状态，弹力减 弱，力平衡被打破，在介质压力，阀瓣开度会减小，压力会下降(小于原先的调 节压力)。

在一个实施例中，阀体上设有第一级减压阀单元和第二级减压阀单元，阀体 的一侧设有进口腔，另一侧设有出口腔，进口腔与第一级减压阀单元连通，出口 腔与第二级减压阀单元连通，第一、第二级减压阀之间通过d流道相连通。

进一步，e流道与d流道之间形成第一交叉角，角度为95-135度，优选的 角度为105-120度；j流道与i流道之间形成第二交叉角，角度为65-89度，优 选的角度为70-85度。其中d流道直径6cm，e流道直径6cm，i流道直径12.5cm， j流道直径6cm。

具体来说，第一阀盖的顶部设有与之配套的第一调节螺杆，第一调节螺杆上 套设有第一螺母，第一阀盖外部罩设有第一保护套，第一阀盖内部设有第一弹簧 座，第一弹簧座的顶面与第一调节螺杆的底部相抵触，第一弹簧座与第一活塞之 间设有第一主弹簧。第二阀盖的顶部设有与之配套的第二调节螺杆，第二调节螺 杆上套设有第二螺母，第二阀盖外部罩设有第二保护套，第二阀盖内部设有第二 弹簧座，第二弹簧座的顶面与第二调节螺杆的底部相抵触，第二弹簧座与第二活 塞之间设有第二主弹簧。

具体来说，这里的第一、第二阀盖的结构相同，阀盖顶部设有第一阀盖螺纹， 用以连接保护套，阀盖的底部设有第二阀盖螺纹，用以连接阀体，阀盖上设有六 方倒角面，用以旋紧阀盖螺纹。

第一活塞上连接有第一阀杆，第一阀杆的端部设置在第一阀杆腔体c内，第 一活塞缸下部设有第一阀座，第一阀座的底部设有与第一阀杆配合造型，第一阀 杆与第一阀座之间的间隙为第一级介质流道口，第一阀杆的上、下移动可调节第 一级介质流道口的大小。第二活塞上连接有第二阀杆，第二阀杆的端部设置在第 二阀杆腔体l内，第二活塞缸的下部设有第二阀座，第二阀座的底部设有与第二 阀杆配合造型，第二阀杆与第二阀座之间的间隙为第二级介质流道口，第二阀杆 的上、下移动可调节第二级介质流道口的大小。

具体来说，第二阀座由阀座体和橡胶整体硫化成型，阀座体的中心处设有贯 穿阀座体的用以阀杆通过的通孔，通孔的侧壁处贴附有C型橡胶，C型橡胶的底 部与阀座体之间的夹角为60度，通孔的两侧分别设有工艺孔，阀座体的顶部外 侧设有连接螺纹。

第一活塞上设有环型口，环形口的一端与e流道连通，另一端与第一活塞腔 体f相连通，使得第一阀杆腔体c的出口气体压力通过第一活塞腔体f反馈给第 一活塞，第一活塞包括柱体部分和设在柱体顶部的塞体部分，柱体部分为中空结 构，中空结构中设有用以固定第一阀杆的两个台阶孔111，塞体部分的顶部设有 弹簧定位槽112，塞体部分设有两个沿柱体部分对称设置的安装孔113。第二活 塞上设有环型口，环形口的一端与i流道连通，另一端与第二活塞腔体k相连通， 使得第二阀杆腔体l的出口气体压力通过第二活塞腔体k反馈给第二活塞，第二 活塞包括柱体部分和设在柱体顶部的塞体部分，柱体部分为中空结构，中空结构 中设有用以固定第二阀杆的两个台阶孔，塞体部分的顶部设有弹簧定位槽，塞体 部分设有两个沿柱体部分对称设置的安装孔。

在另一个具体的实施例中，本减压阀阀分为两级减压单元，具体参见图1。 对于第一级减压阀单元，旋转第一调节螺杆17，第一弹簧座14下行，压缩第一 主弹簧13，推动第一活塞11下移，第一活塞11带动第一阀杆3打开与第一活 塞缸4下部接触的介质流道口。介质气体从进口腔a经第一活塞缸4下部的环形 通道进入第一活塞缸腔体b，从介质流道口进入第一阀杆腔体c，第一阀杆腔体 c的气体经内部流道d和e进入第一活塞腔体f，将第一级的出口压力反馈给第 一活塞11。当第一级出口压力波动时，其波动值带动第一活塞连同第一阀杆3 上下移，进而第一级的介质流道口或减小或增大面积，从而稳定第一级减压阀单 元设定的出口压力。

第一级的出口流体经d流道进入第二活塞缸31的第二活塞缸腔体g内。旋 转第二调节螺杆19下压第二弹簧座，压缩第二主弹簧，推动第二活塞26下行， 带动第二活塞杆24下移，打开第二级减压单元的流道口。介质从第二活塞缸腔 体g进入第二阀杆腔体h，由i流道进入L出口腔和j流道，j流道的气体经第 二活塞31的环型口进入第二活塞腔体k，则第二级的出口压力反馈至第二活塞。 当第二级出口压力波动时，其波动值带动第二活塞26连同第二阀杆34上下移， 进而第二级的介质流道口或减小或增大面积，从而稳定第二级减压阀单元设定的 出口压力。

对本实施例进行计算仿真实验：

A、强度分析

计算软件为ANSYS，采用三维弹性有限元分析方法。通过有限元仿真分析， 保证工况下的阀体强度，去除冗余的材料，优化阀体空间尺寸，减轻阀体重量， 满足特殊核级工况下的尺寸和重量需求。

B、固有频率分析

根据模态分析，得到前十阶频率见表1所示。从表1可知，第一阶频率为 203.57Hz，远远大于33Hz，故满足要求。

表1前十阶频率

阀门应力分析和评定

根据模态分析，第一阶频率为203.57Hz，远远大于案例要求的33Hz，故满 足规范要求。

c抗震分析：

对模型的阀体和阀盖施加压力载荷，对模型施加地震载荷(三个方向分别施 加6.6g加速度)和自重。

阀体应力评定如下表：

阀体应力评定

应力	计算值(MPa)	限值(MPa)	评定结果
				一次薄膜应力强度	88.68	138	合格
一次薄膜+弯曲应力强度	129.24	207	合格

(1)阀盖应力评定如下表：

阀盖应力评定

应力	计算值(MPa)	限值(MPa)	评定结果
				一次薄膜应力强度	15.20	138	合格
一次薄膜+弯曲应力强度	17.91	207	合格

根据阀门应力分析结果可知，该阀门在内压、自重、地震等载荷组合共同作 用下，各个薄弱部位的计算应力值均小于相应的设计准则所规定的许用应力值， 从而证明在各类载荷组合下，该阀门的结构完整性可以得到保证，满足ASME规 范第III卷D3500篇的要求。

最后得到的性能试验数据如下：

要求：进口压力范围是27.58～1.38MPa，出口压力要求0.83MPa，精度要求 ±5％。

实测结果可知，在进口压力27.58～1.38MPa范围内变化时，出口压力稳定 在0.83MPa±5％范围内，满足工况需求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能 认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换， 都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种气体用核电减压阀，包括阀体，其特征在于：阀体上设有两级减压阀，分别为第一级减压阀单元和第二级减压阀单元，阀体的一侧设有进口腔，另一侧设有出口腔，进口腔与第一级减压阀单元连通，出口腔与第二级减压阀单元连通，第一、第二级减压阀之间通过d流道相连通，第一级减压阀包括第一阀盖和第一活塞缸，第一阀盖内设有第一活塞和与第一活塞相配合的第一阀杆，第一级减压阀内从上而下依次设有第一活塞腔体f、第一活塞缸腔体b和第一阀杆腔体c，第一活塞缸腔体b与进口腔相连通，第一活塞腔体f通过e流道与d流道相连通，第一阀杆腔体c的底部与d流道相连通；第二级减压阀包括第二阀盖和第二活塞缸，第二阀盖阀内设有第二活塞和与第二活塞相配合第二阀杆，第二级减压阀内从上而下依次设有第二活塞腔体k、第二活塞缸腔体g和第二阀杆腔体h，第二阀杆腔体h通过i流道与出口腔相连通，第二活塞缸腔体g与d流道相连通，第二活塞腔体k通过j流道与i流道和出口腔相连通。

2.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：e流道与d流道之间形成第一交叉角，角度为95-135度；j流道与i流道之间形成第二交叉角，角度为65-89度，其中d流道直径6cm，e流道直径6cm，i流道直径12.5cm，j流道直径6cm。

3.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：第一阀盖的顶部设有与之配套的第一调节螺杆，第一调节螺杆上套设有第一螺母，第一阀盖外部罩设有第一保护套，第一阀盖内部设有第一弹簧座，第一弹簧座的顶面与第一调节螺杆的底部相抵触，第一弹簧座与第一活塞之间设有第一主弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：第二阀盖的顶部设有与之配套的第二调节螺杆，第二调节螺杆上套设有第二螺母，第二阀盖外部罩设有第二保护套，第二阀盖内部设有第二弹簧座，第二弹簧座的顶面与第二调节螺杆的底部相抵触，第二弹簧座与第二活塞之间设有第二主弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：第一活塞上连接有第一阀杆，第一阀杆的端部设置在第一阀杆腔体c内，第一活塞缸下部设有第一阀座，第一阀座的底部设有与第一阀杆配合造型，第一阀杆与第一阀座之间的间隙为第一级介质流道口，第一阀杆的上、下移动可调节第一级介质流道口的大小。

6.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：第二活塞上连接有第二阀杆，第二阀杆的端部设置在第二阀杆腔体ｌ内，第二活塞缸的下部设有第二阀座，第二阀座的底部设有与第二阀杆配合造型，第二阀杆与第二阀座之间的间隙为第二级介质流道口，第二阀杆的上、下移动可调节第二级介质流道口的大小。

7.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：第一活塞上设有环型口，环形口的一端与ｅ流道连通，另一端与第一活塞腔体f相连通，使得第一阀杆腔体c的出口气体压力通过第一活塞腔体ｆ反馈给第一活塞，第一活塞包括柱体部分和设在柱体顶部的塞体部分，柱体部分为中空结构，中空结构中设有用以固定第一阀杆的两个台阶孔，塞体部分的顶部设有弹簧定位槽，塞体部分设有两个沿柱体部分对称设置的安装孔。

8.根据权利要求1所述的一种气体用核电减压阀，其特征在于：第二活塞上设有环型口，环形口的一端与ｉ流道连通，另一端与第二活塞腔体ｋ相连通，使得第二阀杆腔体ｌ的出口气体压力通过第二活塞腔体ｋ反馈给第二活塞，第二活塞包括柱体部分和设在柱体顶部的塞体部分，柱体部分为中空结构，中空结构中设有用以固定第二阀杆的两个台阶孔，塞体部分的顶部设有弹簧定位槽，塞体部分设有两个沿柱体部分对称设置的安装孔。

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