抗龍卷風(fēng)沖擊波閥阻力性能研究

汪義玲，楊志佳，王 飛，汪正洪

（1.南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東佛山 528200；2.中廣核工程有限公司，廣東深圳 518120）

0 引言

龍卷風(fēng)或爆炸沖擊事故一旦發(fā)生，就會對社會造成巨大負(fù)面影響，隨著科技進(jìn)步，各國對這類日益頻發(fā)的偶然事故預(yù)防方式投入了較多的措施和研究。從2004年到2015年，中國平均每年因龍卷風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失超5.4億元［1］。龍卷風(fēng)及沖夏季，海邊易形成濕熱的高溫天氣，為龍卷風(fēng)的形成與發(fā)展提供了有利條件。中國海岸線總長度3.2萬km，其中大陸海岸線1.8萬km，島嶼海岸線1.4萬km。沿大陸海岸線，有許多優(yōu)良海灣和港口城市，自北而南是：大連、秦皇島、天津、煙臺、青島、連云港、南通、上海、寧波、溫州、福州、廈門、廣州、湛江、北海等。這些城市，人口密度大，基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模大，一旦發(fā)生龍卷風(fēng)更易造成重大損失。在各國的建筑規(guī)范中一般不考慮龍卷風(fēng)荷載，但是對于重要生命線工程，如核電站等，需要進(jìn)行抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)。一旦發(fā)生核電站事故，往往會造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，故對核電站抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要［2］。

我國關(guān)于核電廠抗龍卷風(fēng)沖擊波閥設(shè)計(jì)的研究甚少，也無相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［3］。本文依托重要某生命線工程示范核電站項(xiàng)目需求，開展了國產(chǎn)化抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的阻力性能研究。該核電站應(yīng)用的大型抗龍卷沖擊波風(fēng)閥，數(shù)量及規(guī)格多，抗龍卷風(fēng)閥的面積最小的0.36 m2，最大的到16 m2。抗龍卷風(fēng)閥在無沖擊波或龍卷風(fēng)的狀況下，具備正常通風(fēng)功能，此時(shí)的阻力越小越好；在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中也需要預(yù)算閥門的阻力值；本文通過改變抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的閥芯數(shù)量，組合多種規(guī)格閥門，按閥門規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)選擇好合適的風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、壓差計(jì)等測試裝置對閥門開展阻力測試；預(yù)期通過測試結(jié)果能找出多規(guī)格閥門阻力值與風(fēng)量之間的關(guān)系。

項(xiàng)目閥門的規(guī)格多且閥門面積大，全部測試有難度且需耗費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)物，若研究出多規(guī)格閥門阻力值與風(fēng)量之間的關(guān)系，有利于準(zhǔn)確預(yù)算通風(fēng)系統(tǒng)的水力揚(yáng)程，后期建設(shè)項(xiàng)目中僅通過典型風(fēng)閥樣機(jī)開展試驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)算結(jié)果，可大大縮短測試周期、降低測試成本。

1 抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的阻力性能指標(biāo)

抗龍卷風(fēng)閥，同時(shí)也具備抗沖擊波作用的，也叫抗龍卷風(fēng)沖擊波閥?？箾_擊波風(fēng)閥，主要應(yīng)用在石化、人民防空、軍事等領(lǐng)域。目前，在三代核電項(xiàng)目中也開始廣泛應(yīng)用，但核電廠所采用的抗龍卷風(fēng)沖擊波閥主要由國外供應(yīng)商供貨。國內(nèi)關(guān)于核電廠抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的設(shè)計(jì)研究幾乎空白，也無相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［3］。在核電站中的通風(fēng)系統(tǒng)，抗龍卷風(fēng)沖擊波閥安裝在通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口及排風(fēng)口處的孔洞內(nèi)，在核電站可能面臨各種爆炸的危險(xiǎn)沖擊波或龍卷風(fēng)情況下，迅速關(guān)閉，保證廠房和外界環(huán)境的有效隔離，從而避免造成人員傷害或設(shè)備損壞。正常情況下，閥葉處于閥體的正中間，氣流通過四周的腔道流過，以維持房間的正常通風(fēng)狀態(tài)。本文研究的是正常通風(fēng)狀態(tài)下，抗龍卷風(fēng)閥的阻力性能。

核電站采用的抗龍卷風(fēng)沖擊波閥具備抗雙向沖擊波的能力，主要由抗爆框架、預(yù)埋框架、角鋼框架、多個(gè)閥芯和閥芯連接件構(gòu)成，如圖1所示，其中框架是用于安裝和支撐核心部件閥芯的，需承受閥芯傳遞過來的巨大沖擊力；閥門整體可以水平、垂直或其他角度平面安裝。

圖1 抗龍卷風(fēng)沖擊波閥結(jié)構(gòu)圖

抗雙向沖擊波的關(guān)鍵部件是閥芯，其工作原理如圖2所示，圖依次為正常通風(fēng)狀態(tài)、抵擋正壓沖擊波狀態(tài)及負(fù)壓龍卷風(fēng)狀態(tài)。正常通風(fēng)狀態(tài)閥葉處于閥體的中間；當(dāng)外界發(fā)生爆炸沖擊波時(shí)，閥葉會瞬間移動到常壓側(cè)端面，與閥體內(nèi)側(cè)緊密貼合，關(guān)閉氣流通道，將沖擊波抵擋在外側(cè)，避免室內(nèi)的人員和設(shè)備受到損傷，關(guān)閉時(shí)間小于或等于1.8 ms，沖擊波過濾效率大于或等于99%；當(dāng)外界發(fā)生龍卷風(fēng)時(shí)，核電站的外側(cè)會產(chǎn)生較大負(fù)壓，此時(shí)抗龍卷風(fēng)閥的閥葉會在內(nèi)外壓差的作用下迅速向負(fù)壓側(cè)移動，與閥體內(nèi)側(cè)緊密貼合，關(guān)閉氣流通道，阻止室內(nèi)的人或物受到巨大的吸力，龍卷風(fēng)作用下關(guān)閉時(shí)間小于或等于500 ms；當(dāng)沖擊波或龍卷風(fēng)消失后，閥葉自動恢復(fù)至閥體中間，保障正常通風(fēng)功能。

圖2 閥芯工作原理圖

抗龍卷風(fēng)沖擊波閥絕大多數(shù)時(shí)間是正常通風(fēng)功能，為減少正常通風(fēng)狀態(tài)下的能耗，核電站要求龍卷風(fēng)閥門全開狀態(tài)的局部阻力系數(shù)小于或等于10。流體流經(jīng)閥門時(shí)，引起流速的分布發(fā)生變化，將產(chǎn)生較集中的能量損失，所產(chǎn)生的局部阻力與相應(yīng)動壓的比值即為阻力系數(shù)，其值為無量綱數(shù)，用于計(jì)算流體經(jīng)過時(shí)受到的阻力，也是流體經(jīng)過時(shí)的能量損失，壓降計(jì)算公式為：

式中：ξ為阻力系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；v為流經(jīng)閥門的速度。

通過測試平臺測出流體流經(jīng)閥門前后的壓降Δp、風(fēng)速及氣體密度，計(jì)算出不同風(fēng)量下的阻力系數(shù)。局部阻力系數(shù)是閥門對應(yīng)工作狀態(tài)的固有屬性，它不隨風(fēng)量的變化而變化，研究出該固有屬性，在后期系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以直接評估風(fēng)閥對氣流的阻力。示范核電站項(xiàng)目的閥門數(shù)量、規(guī)格較多，且大型閥門偏多，對于大型閥門阻力測試，需要的測試平臺大、工裝也會很大，且工裝需隨閥門而變化，部分截面面積大于9 m2的巨型閥門，其測試難度大、涉及的費(fèi)用極高。如何驗(yàn)證“全開狀態(tài)的局部阻力系數(shù)小于或等于10”，也是本文研發(fā)的難點(diǎn)。

2 阻力性能驗(yàn)證

風(fēng)閥的阻力性能可以采用分析法和試驗(yàn)法，本文采用測試典型規(guī)格樣機(jī)的阻力性能，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)的方法開展研究。

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)JG／T436－2014《建筑通風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥》“5.3.13阻力特性”的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)裝置符合《GB／T 1236工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》的規(guī)定，測試裝置如圖3所示。按閥門規(guī)格選擇好合適的風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、壓差計(jì)等裝置，并連接好，用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)的氣動性能滿足閥門阻力測試需求，在通過閥門的氣流穩(wěn)定后，測出大氣壓力pa，環(huán)境溫度ta，干球溫度td，相對濕度hu，噴嘴壓差Δp；測出閥門前3D處的進(jìn)口表壓pe3，閥門前后的壓差Δp1；每處分別測試3次。

圖3 閥門阻力測試裝置

測試數(shù)據(jù)的理論計(jì)算：

（2）根據(jù)公式v3＝qm／（A3·ρ3）求出風(fēng)速v3（m／s）。

（3）由公式Δp2＝ξT·ρ3·v2／2求出閥門全開時(shí)的ξT。

拆去被測閥門，由上述試驗(yàn)方法測出管道的流阻系數(shù)ξ1，由ξT減去ξ1為閥門的流阻系數(shù)ξ。

閥門的流阻系數(shù)：ξ＝ξT－ξ1。

2.2 閥芯試驗(yàn)數(shù)據(jù)

抗龍卷風(fēng)閥是由多個(gè)規(guī)格型號完全一致的閥芯組裝而成，用于研究課題的閥芯，規(guī)格為390 mm×153 mm，截面積為0.059 67 m2，單個(gè)閥芯的阻力性能由第三方進(jìn)行測試，其測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 閥芯阻力測試結(jié)果

根據(jù)同濟(jì)大學(xué)的測試結(jié)果，整理數(shù)據(jù)表。按能量損失計(jì)算公式Δp1＝ξ×（1／2）×ρ×v2，計(jì)算出單個(gè)閥芯的阻力系數(shù)ξ，如表1所示。表中閥芯截面風(fēng)速v是按閥芯的最大外框面積計(jì)算的；若按閥芯內(nèi)框的風(fēng)速來算，v會更大，阻力系數(shù)ξ會變??；這里的阻力系數(shù)值是存在分歧的。

表1 試驗(yàn)閥芯的阻力系數(shù)ξ

2.3 典型樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文依托示范核電項(xiàng)目的抗龍卷風(fēng)閥需求，項(xiàng)目的抗龍卷風(fēng)閥數(shù)量多、規(guī)格多且大，鑒于試驗(yàn)平臺及工裝限制，試驗(yàn)選取的典型樣機(jī)共4臺，規(guī)格分別為：1個(gè)閥芯（不帶框架）、3個(gè)閥芯（帶框架）、6個(gè)閥芯（帶框架）、10個(gè)閥芯（組合框架），分別進(jìn)行阻力試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)值如表2所示。

表2 抗龍卷風(fēng)閥典型樣機(jī)阻力測試結(jié)果

樣機(jī)1的結(jié)構(gòu)是單體閥芯，從表2可以看出，其測試結(jié)果與第三方出具的型式試驗(yàn)結(jié)果基本一致；測試結(jié)果表2反應(yīng)出：帶框架抗龍卷風(fēng)閥的平均阻力系數(shù)ξ隨閥芯數(shù)量增加而增加的，但平均阻力系數(shù)ξ與閥芯數(shù)量之間的關(guān)系不明確。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析推導(dǎo)

表2試驗(yàn)結(jié)果顯示：抗龍卷風(fēng)閥的阻力系數(shù)ξ與框架結(jié)構(gòu)、閥芯數(shù)量有關(guān)，但無規(guī)律可循，需對各種結(jié)構(gòu)、規(guī)格分別測試，才可以預(yù)算系統(tǒng)的揚(yáng)程損失。

由圖1可知，抗龍卷風(fēng)沖擊波閥是由多個(gè)同性能的閥芯并聯(lián)安裝在固定框架上的，是并聯(lián)管路通風(fēng)系統(tǒng)。從能量平衡觀點(diǎn)來看，單位流體通過任一并聯(lián)分支的能量損失必然相等［4］。即并聯(lián)的每個(gè)閥芯阻力損失是相同，求出單個(gè)閥芯的阻力，也就得到整個(gè)閥的阻力損失。

抗龍卷風(fēng)閥使用場景的前后端面均不接管道，其局部損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿程損失，屬短管類通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)氣流管路的氣流能量方程得出［4］：

式中：Sp是設(shè)備或部件在氣流管道中產(chǎn)生的阻抗，按公式求出型式樣機(jī)閥芯的阻抗值Sp（表3）。

表3 閥芯的阻抗性能SP計(jì)算

根據(jù)氣流并聯(lián)管路的流動規(guī)律［4］：并聯(lián)節(jié)點(diǎn)上的總流量為各支管中流量之和，即Q＝Q1＋Q2＋Q3＋…＋Qn；并聯(lián)各支路上的能量損失相等，即Sp1×Q21＝Sp2×Q22＝Sp3×Q23＝…＝Spn×Q2n；由于抗龍卷風(fēng)閥上并聯(lián)的每個(gè)閥芯結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝相同，則閥芯的阻抗值是相同的，即Sp1＝Sp2＝Sp3＝…＝Spn，則Q1＝Q2＝Q3＝…＝Qn＝Q／n。由多個(gè)閥芯并聯(lián)組合的抗龍卷風(fēng)閥，其阻抗推算規(guī)律如表4所示。

表4 并聯(lián)閥芯的閥門阻力性能推算表

根據(jù)閥芯樣機(jī)的阻抗系數(shù)，驗(yàn)算型式樣機(jī)的阻力如表5所示，由于氣流的不穩(wěn)定性，且閥芯樣機(jī)的阻抗值是各工況點(diǎn)的平均值，測試值與預(yù)算值會存在差異。表5中預(yù)算阻力與各樣機(jī)實(shí)測點(diǎn)阻力偏差在15%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比87.5%，偏差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占比75%。

表5 用阻抗預(yù)算閥門阻力情況表

2.5 阻力性能分析結(jié)論

閥葉的前后移動、復(fù)位的工作原理，是受到的外部沖擊力與支撐閥葉的彈力相互作用的結(jié)果；當(dāng)通過閥芯的風(fēng)速不穩(wěn)定或風(fēng)量過大時(shí)，在風(fēng)速的沖擊力下導(dǎo)致閥芯前后抖動，所以實(shí)際測試的阻力會存在偏差。

試驗(yàn)及分析結(jié)果標(biāo)明：流經(jīng)單個(gè)閥芯的風(fēng)量越大，閥門的阻力值越高；對于多個(gè)同型號閥芯并聯(lián)而成的組合閥門，只需測試單閥芯相同流量下的阻力即可得出整臺閥門的阻力值；根據(jù)定型生產(chǎn)線上樣機(jī)閥芯的性能，可以推導(dǎo)出各種閥芯組合、正常風(fēng)量狀況下的阻力。以示范核電站項(xiàng)目為例，系統(tǒng)需要的風(fēng)量越大，閥門配置的閥芯數(shù)量越多，單個(gè)閥芯的流量范圍基本在400～900 m3／h之間；則該項(xiàng)目抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的阻力值范圍為：58～292 Pa。

3 結(jié)束語

抗沖龍卷風(fēng)擊波閥，能在沖擊波事故時(shí)起到隔絕沖擊力的作用，但絕大部分時(shí)間是正常工況下運(yùn)行，其正常工況下的阻力值越小，通風(fēng)系統(tǒng)就越節(jié)能。故抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的阻力性能是閥門的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，抗龍卷風(fēng)沖擊波閥的阻力越小，通風(fēng)系統(tǒng)就越節(jié)能。設(shè)計(jì)抗龍卷風(fēng)沖擊波閥時(shí)，首先要選用阻抗較小的閥芯；其次，因流經(jīng)單個(gè)閥芯的風(fēng)量越大，閥門的阻力值越高，所以單位面積的框架內(nèi)配盡量多的閥芯數(shù)量。特別要注意：為節(jié)約初投資，在控制閥芯數(shù)量時(shí)，單閥芯的風(fēng)量一定不能超出正常工況下的最大流量，該流量是閥葉未發(fā)生位移時(shí)的最大流量，最大流量也是閥芯出廠試驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。總之，工程應(yīng)用時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)通風(fēng)需求合理配置閥芯數(shù)量，起到通風(fēng)、防護(hù)兩不誤的作用。

在建設(shè)項(xiàng)目中，通過閥芯的阻抗值能快捷方便地預(yù)算抗龍卷風(fēng)沖擊波閥在系統(tǒng)中的阻力，即×SP芯×Q2；再通過典型風(fēng)閥樣機(jī)開展試驗(yàn)驗(yàn)證，大大縮短測試周期、降低測試成本。

閥芯安裝時(shí)，閥芯與框架間會存在少量間隙，存在漏風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致多閥芯組合而成的抗龍卷風(fēng)沖擊波閥實(shí)測阻力值會略小于理論計(jì)算值。

抗沖龍卷風(fēng)擊波閥，同框架上安裝的閥芯性能務(wù)必相同，且安裝方式一致，否則會破壞閥芯的并聯(lián)關(guān)系，上述用閥芯阻抗值預(yù)算閥門阻力的關(guān)系就會被破壞。