Válvulas globulares para zonas de difícil acceso en centrales nucleares

Este documento presenta el diseño estructural detallado de un bonnetless de grado nuclearVálvula de globo de fuelle. Se realizaron verificaciones de diseño, incluidas las características de flujo, la rigidez estructural y el rendimiento sísmico, para verificar el cumplimiento de los últimos estándares de tecnología de energía nuclear Hualong One. Además, a través de un proceso de fabricación planificado para este modelo de válvula, el estudio proporciona una solución integral para las válvulas de globo de fuelle utilizadas en áreas de plantas de energía nuclear que son inaccesibles para el mantenimiento de rutina.

Figura 1. Diseños típicos de válvulas de globo de fuelle: (a) Opción 1, (b) Opción 2, (c) Opción 3

Figura 2 Válvula de fuelle sin bonnet eléctrica de grado nuclear

Tabla 1. parámetros de diseño para la válvula de globo de fuelle de grado nuclear

El prensaestopas del conjunto de empaque se inserta en la placa de compresión, con su diámetro exterior que coincide con el diámetro interior del orificio inferior de la placa (Figura 3). Esta configuración garantiza una holgura consistente entre el orificio central de la placa de compresión y el vástago de la válvula, evitando así eficazmente la fricción debida a una carga desigual sobre la placa. La válvula emplea un concepto de diseño modular para facilitar mantenimiento rápido. Los componentes estandarizados aseguran la intercambiabilidad entre partes de especificaciones idénticas. El diseño modular de los componentes funcionales de la válvula, combinado con la estructura de columna extraíble y la interfaz dentada del actuador, permite un montaje y desmontaje rápidos de la válvula, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 3: Diagrama esquemático de la placa de presión, el manguito de compresión y el conector de fuelle superior

Figura 4: Conjunto de embalaje y estructura de columna extraíble

El proceso de verificación de diseño para la válvula de globo de fuelle de segunda etapa de grado nuclear comprende dos componentes principales: la verificación de la dinámica de fluidos y la verificación del rendimiento mecánico.

La verificación del diseño de fluidos se centra en evaluar la capacidad de flujo de la válvula, con valores objetivo de C≥ 7,31 y L/D≤ 340L.

La verificación del diseño mecánico comprende:

• Verificación de frecuencia natural (≥ 33Hz)
• Verificación del rendimiento sísmico

De acuerdo con las metodologías especificadas en GB/T 30832 y TP410, la capacidad de flujo de la válvula se evaluó mediante análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) utilizando el software CFDesign. Se calculó el coeficiente de flujo (C) y se convirtió en una relación de longitud a diámetro equivalente (L/D) para verificar el cumplimiento de los requisitos de diseño (C ≥ 7,31, L/D ≤ 340). Las Figuras 5(a) y 5(b) presentan los contornos de la velocidad absoluta y la distribución de la presión estática dentro de la válvula, respectivamente.

Figura 5. Contornos de (a) Velocidad absoluta y (b) Distribución de presión estática

El coeficiente de flujo promedio calculado de la válvula de globo de fuelle de segunda etapa de grado nuclear es 9,2, con una relación equivalente de longitud a diámetro (L/D) de 195. Los resultados se resumen en la Tabla 2.

Tabla 2. Coeficiente de flujo promedio de la válvula de globo de fuelle nuclear de segunda etapa

Rendimiento de flujo bajo diferentes caudales de entrada

La forma del modo de la válvula refleja las características naturales de la vibración de la estructura de la válvula en conjunto. Se utilizó el análisis de elementos finitos (FEA) para determinar las características modales dentro del rango de frecuencia susceptible de la válvula, incluida la frecuencia natural de primer orden. Las simulaciones de elementos finitos de ANSYS muestran que la frecuencia natural de primer orden de la válvula es 46,1Hz, que cumple con el requisito de diseño de ≥ 33Hz. Esto indica que la estructura de la válvula tiene buena rigidez y resistencia a la resonancia.

Figura 6. Modelo geométrico tridimensional y forma de modo de primer orden de la válvula
(A) Modelo geométrico tridimensional (b) Forma de modo de vibración modal de primer orden

Durante el análisis sísmico, se tuvieron en cuenta las condiciones de operación del peor caso y las combinaciones de carga más desfavorables. El rendimiento de soporte de presión de los componentes de la válvula se evaluó considerando la presión interna en condiciones de accidente severo, peso muerto de la válvula, cargas sísmicas y cargas finales. Se realizaron simulaciones de elementos finitos utilizando ANSYS, con linealización de tensión aplicada para analizar regiones de alto riesgo de componentes portadores de presión, como el cuerpo de la válvula, donde los niveles de tensión eran significativos. El esfuerzo calculado y los resultados de la deformación global se presentan en las Figuras 7(a) y 7(b).

Figura 7: Resultados de tensión y deformación del conjunto completo de la válvula
(A) Distribución de la tensión (b) Deformación total Diagrama de nubes

(A) Resultados de tensión del cuerpo de la válvula (b) Sección de evaluación del cuerpo de la válvula (c) Resultados de linealización de la tensión para la sección A-A (d) Resultados de linealización de la tensión para la sección B-B

Figura 8 Resultados de la evaluación de tensión de la sección crítica del cuerpo de la válvula

Tabla 3. Resultados de la evaluación de la tensión del cuerpo de la válvula

Evaluación de estrés de componentes adicionales

Para otros componentes, como el vástago de la válvula, los niveles de tensión se mantuvieron bajos, con la tensión total máxima por debajo del límite permitido del material. Por lo tanto, la linealización de la tensión se consideró innecesaria. Se llevaron a cabo análisis de tensión en un prototipo de válvula de globo de fuelle sin fuelle eléctrico de grado nuclear en condiciones de accidente. La clasificación de la tensión y la evaluación de los componentes clave, incluido el cuerpo de la válvula, el disco, el vástago y la columna, se realizaron de acuerdo con los criterios aplicables. Los resultados verificaron que las tensiones en todas las regiones críticas se mantuvieron dentro de los límites regulatorios, lo que confirma la integridad estructural adecuada de la válvula.

Las pruebas de fábrica incluyen lo siguiente:

Prueba de fuerza de Shell

Prueba del sello de Shell

Prueba de fuerza del disco

Prueba del sello del asiento

Prueba del sello de gas del asiento

Prueba hidrostática de fuelle

Prueba de accionamiento

Este artículo presenta una solución de válvula de globo de fuelle dirigida a reducir las fugas de la válvula y facilitar un rápido montaje y desmontaje, específicamente diseñada para su aplicación en áreas de plantas de energía nuclear inaccesibles para el mantenimiento de rutina. Esta solución minimiza aún más el riesgo de fuga de la válvula al tiempo que reduce significativamente el tiempo de mantenimiento. La verificación de las características de flujo, la rigidez estructural y el rendimiento sísmico confirma que la válvula de globo de fuelle sin fuelle eléctrico de grado nuclear posee una excelente rigidez (≥ 33Hz), resistencia sísmica robusta y capacidad de flujo superior (Cn ≥ 7,31, L/D ≤ 340). Estas métricas de rendimiento cumplen con los últimos estándares de tecnología de energía nuclear de Hualong One, lo que garantiza el funcionamiento estable y a largo plazo de las válvulas en áreas de plantas de energía nuclear que son inaccesibles para el mantenimiento de rutina.