JP5100482B2 - 絞り要素を有する配管系 - Google Patents

Description

本発明は、絞り要素を有する配管系に係り、特に絞り要素の絞り部の下流における配管内の大きな圧力脈動の発生を有効に回避するための技術に関するものである。

一般に、原子力発電所等に使用する配管系においては、流量調整等の目的で絞り弁やオリフィス等の絞り要素が設けられているが、それらの絞り要素に起因する流れの乱れと配管側の液柱共振とによって、配管が振動する事象が生じる場合がある。

特に原子力プラントにおいては、通常運転時および定期検査時等に使用する小流量を要求される配管系と、非常時に使用する大流量を要求される配管系とを単一の系統で兼用している場合があり、小流量で使用する場合に絞り要素における絞りの度合が大きく、配管を振動させる力も非常に大きいものとなる場合がある。

具体的例を挙げて説明すると、上述した配管系に設けられる絞り弁として、従来多く用いられているものに、図１０に示すように、周壁に流体流通用の孔１が穿設された筒形のケージ２と、このケージ２内にガイドされ、外周面が紡錘形をなす往復動可能な弁体３と、この弁体３の外周側に配置され流体の絞り部を形成する弁座４とを備えた構成のものがある。

このような構成の絞り弁においては、ケージ２の孔１から流入する弁入口流ａ１が、弁体３の外周面と弁座４との隙間からなる絞り部（以下、「シート部」ともいう）６を通過して、弁出口流ａ２として、図示しない下ケージを介して流出する。

ところが、従来の絞り弁の場合、図１０に示すように、弁体３のプロフィル部の途中に大きな偏曲部３ａを有する構造とされており、弁棒５を介して弁体３をリフトさせた場合、シート部６の通過面積が極端に変化する部分が生じ、その下流側にて配管内に大きな圧力脈動を発生させることがあった。

また、図１０に示した従来のケージ付き絞り弁においては、ケージ（上ケージ）２の通過面積とシート部６の通過面積とが、必ずしも適正に行われていなかった。例えば、図１１は従来構造における両通過部面積の変化特性を示したグラフであり、縦軸に通過面積、横軸に弁体ｂのリフト長をそれぞれ表している。

この図１１に示すように、実線Ａ０で示したシート部通過面積と、破線Ｂ０で表したケージ（上ケージ）部通過面積とは、リフト長の変化する或る点で通過面積の大小の関係が交錯する等の変化を示すものであった。このため、大きな圧力変動が発生し、シート部６での圧力損失が厳しくなる等の問題があった。

さらに、絞り要素を有する配管系においては、その絞り要素の絞り部で発生するキャビテーションによって配管内で大きな圧力変動が発生する場合があった。

このようにして生じる配管系の振動に対し、従来では一般に、配管支持構造を剛にする等の対処が行われてきた。

上記のように、従来の配管系では絞り要素に起因する配管を振動させる力に対して、配管支持構造を剛にする等により対処しているが、振動力が大きい場合等においては、配管支持構造等の大幅な変更が必要であり、熱膨張による移動等も考慮すると、剛構造のみによる対処だけでは限界があり、必ずしも十分な振動低減効果が得られない場合があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、配管を振動させる要因となる絞り弁、オリフィス等の絞り要素に予め絞り部の下流にて配管内での大きな圧力脈動が発生することを防止できるようにした絞り要素を有する配管系を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明では、絞り弁を設けた配管が原子炉圧力容器に接続される配管系において、前記絞り弁を閉止端とし、前記配管の原子炉圧力容器側の出口を開放端として液柱振動モードを下記計算式に基づいて算出し、
ｆ＝Ｃ／４Ｌ
（ｆ＝液柱１次振動数，Ｃ＝振動速度，Ｌ＝波長）
その算出した前記液柱振動モードの変曲点部分が剛になる配管サポート構造を設け、さらに前記配管を、前記液柱振動より高い固有振動数を持つ配管とすることを特徴とする絞り要素を有する配管系を提供する。

請求項２の発明では、前記絞り弁は、弁体と弁座で構成されるシート部に流入する上ケージと、前記シート部を通過した弁出口流の下ケージとを備え、前記絞り弁のシート部のキャビテーション係数ｋの下限値を、下ケージ内流量Ｑを下ケージ内断面積Ｓで除算した代表流速Ｖの関数により設定し、前記シート部のキャビテーション係数ｋはその下限値以上の安定領域で運用を行なう構成とした請求項１記載の絞り要素を有する配管系を提供する。

本発明によれば、配管を振動させる要因となる絞り弁等の絞り要素に、予め絞り部の下流にて配管内に大きな圧力脈動を発生させないように、絞り要素自体の構造を変更し、また配管系自体の構造設計手法を変更することにより、絞り要素において生じる流れの乱れによる圧力脈動の低減および液柱共振の防止を図ることができる。
そして、液柱振動の１次振動数よりも、配管構造部分の固有振動数が高くなる配管設計とすることにより、本実施形態の配管系では、絞り部下流での大きな圧力変動の発生を避けることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１〜図４］
本実施形態は、絞り弁の構成についてのものである。図１は絞り弁を有する配管系を示す概略系統図であり、図２は絞り弁の要部を拡大して示す断面図である。図３および図４は試験結果を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態の配管系７は、例えば沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器８に設けられる再循環系として適用されており、ループ状配管９に流量調整弁としての絞り弁１０を備えている。なお、ポンプ等の他の設備機器については、図示説明を省略する。

絞り弁１０は図２に示すように、周壁に流体流通用の孔１１が穿設された筒形のケージ１２と、このケージ１２内にガイドされ、外周面が紡錘形をなす往復動可能な弁体１３と、この弁体１３の外周側に配置され流体の絞り部を形成する弁座１４とを備えている。そして、弁体１３の外周面１３ａは全体的に連続的なテーパ状に形成されている。

このような構成の本実施形態の絞り弁によると、ケージ１２の孔１１から流入する弁入口流ｂ１が、弁体１３の外周面１３ａと弁座１４との隙間であるシート部１６を通過して弁出口流ｂ２として図示しない下流側ケージに流れる場合、弁体１３のプロフィル部が滑かなテーパ状をなしていることから、シート部１６の通過面積を連続的に変化させることができ、下流側にて接続される図示しない配管内に大きな圧力脈動を発生させることがない。

このことは、下記の試験結果により確認された。

即ち、絞り弁１０として、図３に実線で示したように、弁体１３の外周面を滑かなテーパ状とし（基部３５°，先端側６０°）、弁座１４の下流側流路を直径Ｄ１＝２４０ｍｍの円筒孔状とした構成のものにおいて、弁閉状態から開度を徐々に上げ、弁上流側圧力Ｐ１と弁下流側圧力Ｐ２との差圧およびその際の振動発生状況を経時的に調べた。この結果を下記の表１に示す。

上記の表１に示したように、本実施形態の弁構成の場合には、開度４０％の状態で振動が若干発生したが、他の開度１０％，２０％，３０％，５０％および６０％においては振動の発生がないことが確認された。

なお、図４は、上記各開度に対応する弁部の流路面積の推移をシート部と（上）ケージ部とについて示したものである。

これに対し、図３に仮想線で示した構成の従来例による絞り弁（基部３５°，先端側１２０°）について、本実施形態と同様の試験を行ったところ、下記の表２の結果を得た。

上記の表２に示したように、従来の弁構成の場合には、全ての開度において振動の発生が見られた。

以上の表１および表２に示した結果から、従来例の下で発生していた圧力脈動が本実施形態では発生せず、安定した循環流が得られることが確認された。

［第２実施形態（図５）］
本実施形態は、図１に示した配管系７の絞り弁１０として、図２の構成に加え、ケージ１２部の流体通過面積、つまり孔１１による開口面積の総計を、弁体１５と弁座１４との間のシート部１６の通過面積と同等もしくはこれより小さくする構成を要件として取入れたものである。

即ち、弁体１３が弁棒１５を介して昇降することにより、ケージ１２の孔１１は、その弁体１３の大径な本体部分とケージ１２の内周面との摺接部位において開閉し、同時に弁体１３の先端側のテーパ状部分が弁座１４への接離動作によって開閉する。この場合の孔１１の開口面積がシート部１６の通過面積よりも常に小さくなる設定とするものである。

図５は、これらの通過面積の変化の状況を示したグラフであり、縦軸に通過面積、横軸に弁体１５のリフト長をそれぞれ表している。

この図５に実線Ａで示すシート部通過面積よりも、破線Ｂで示す（上）ケージ通過面積がリフト長全般に亘って、常に小さくなる設定となっている。

このような本実施形態の構成によると、絞り部となるシート部１６での大きな圧力変動の発生を避け、これにより、図１１に示した特性の従来例と異なり、シート部１６での圧力損失が厳しくなることを防止することができる。

［第３実施形態（図１，図６，図７）］
本実施形態は、絞り要素の絞り部におけるキャビテーション係数と絞り要素内の流速との関係に基づいて大きな圧力変動が発生しない領域での運用を行うようにした配管系およびその製作方法についてのものである。

本実施形態においては、例えば図１に示した配管系の絞り弁１０として、図６に示した上ケージ１２と下ケージ１７とを有するものが適用されている。そして、この絞り弁１０のシート部１６におけるキャビテーション係数Ｋを、下ケージ１７内の流量Ｑを下ケージ内断面積Ｓで除算した代表流速Ｖ（＝Ｑ／Ｓ）の関数により、そのキャビテーション係数Ｋの下限値を設定する手法が採られている。

即ち、絞り弁１０のシート部１６の上下流での圧力差が過大で下流側の圧力が飽和蒸気圧になると気泡が発生し、キャビテーションが発生し、流れが不安定な状態となるため、本実施形態では下ケージ１７内でそのような流速となることを回避し、安定な流れを得る領域での運用を行うものである。

図７は、キャビテーション係数と弁内流速との相関図であり、縦軸にキャビテーション係数Ｋ、横軸に下ケージ１７内の代表流速Ｖをそれぞれ表している。

この図７に示すように、ＫとＶとの関係により、安定な領域と不安定領域とが表れている。具体的には、下ケージ１７内の代表流速Ｖ，キャビテーション係数Ｋとして、Ｖ＝６ｍ／ｓのときＫ≧０．５，Ｖ＝８ｍ／ｓのときＫ≧０．７，Ｖ＝１０ｍ／ｓのときＫ≧１．４の領域を使用領域として設定する。

このように設計した本実施形態の配管系によると、絞り弁１０の下流側での大きな圧力変動の発生を避けることができる。

［第４実施形態（図８）］
本実施形態は、配管系の固有振動数の設定により圧力変動の発生を回避する手法についてのものである。図８（Ａ）は配管系を示す概略図であり、同図（Ｂ）は作用説明図である。

図８（Ａ）に示す絞り弁（流量調整弁）１０または図示しないオリフィス等の絞り要素を設けた配管９が、原子炉圧力容器８に接続されている。

この配管系７において、設計段階で、図８（Ｂ）に示すように、絞り弁１０を閉止端、配管９の出口の原子炉圧力容器８を開放端として、液柱振動数を算出する（液柱１次振動数：ｆ＝Ｃ／４Ｌ）。

本実施形態では、このようにして得られた液柱振動の１次振動数よりも、配管構造部分の固有振動数が高くなる配管設計とする。

これにより、本実施形態の配管系では、絞り部下流での大きな圧力変動の発生を避けることができる。

［第５実施形態（図９］
本実施形態は、配管系の支持構造によって、絞り弁の下流側での圧力変動を抑制するものであり、図９は振動モードと配管支持点との関係を示している。

この図９に示すように、本実施形態では、例えば前記第３実施形態で示した図６のように、絞り弁を設けた配管と容器とが存在する配管系において、第４実施形態で示した液柱振動が配管系に対して発生する場合、図９に示した液柱の振動モードの変曲点腹の部分に、支持点１８を配置するものである。

このような配管系の支持構造として設計することにより、絞り部下流での大きな圧力変動の発生を避けることができる。

他の実施形態
なお、以上の実施形態では、配管系の絞り弁１０を設けた場合について説明したが、絞り要素としてオリフィス等を設けた場合にも、前記同様の手段によって、絞り部下流での大きな圧力変動の発生を避けることができる。

本発明の第１実施形態による配管系を示す概略図。 前記実施形態の弁体の構成を示す断面図。 前記実施形態における試験時に使用した弁体のプロフィルを示す図。 前記実施形態における試験時の弁体とシート部および上ケージとの各通路部面積の変化状況を示す図。 本発明の第２実施形態を説明するための図。 本発明の第３実施形態を説明するための絞り弁を示す断面図。 前記第３実施形態の作用を説明するための特性図。 （Ａ）は本発明の第４実施形態による配管系を示す概略図、（Ｂ）は作用を示す特性図。 本発明の第５実施形態を示す説明図。 従来の弁体を示す概略図。 従来の弁の流量特性を示す図。

符号の説明

１…孔、２…ケージ、３…弁体、３ａ…偏曲部、４…弁座、５…弁棒、６…隙間（シート部）、７…配管系、８…原子炉圧力容器、９…ループ状配管、１０…絞り弁、１１…孔、１２…ケージ、１３…弁体、１３ａ…先端側外周面、１４…弁座、１６…シート部、１７…下ケージ、１８…支持点。

Claims (2)

1. 絞り弁を設けた配管が原子炉圧力容器に接続される配管系において、前記絞り弁を閉止端とし、前記配管の原子炉圧力容器側の出口を開放端として液柱振動モードを下記計算式に基づいて算出し、
   ｆ＝Ｃ／４Ｌ
   （ｆ＝液柱１次振動数，Ｃ＝振動速度，Ｌ＝波長）
   その算出した前記液柱振動モードの変曲点部分が剛になる配管サポート構造を設け、
   さらに前記配管を、前記液柱振動より高い固有振動数を持つ配管とすることを特徴とすることを特徴とする絞り要素を有する配管系。
2. 前記絞り弁は、弁体と弁座で構成されるシート部に流入する上ケージと、前記シート部を通過した弁出口流の下ケージとを備え、
   前記絞り弁のシート部のキャビテーション係数ｋの下限値を、下ケージ内流量Ｑを下ケージ内断面積Ｓで除算した代表流速Ｖの関数により設定し、前記シート部のキャビテーション係数ｋはその下限値以上の安定領域で運用を行なう構成とした請求項１記載の絞り要素を有する配管系。

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