出品 |《阀门》期刊

作者 | 魏君安，马哲辉，刘闯，钱锦远

摘要：针对核电站高压抽汽疏水阀内漏难以监测和量化诊断的问题，本文论述了基于传热学理论的高压抽汽疏水阀内漏下游管道温度分布的研究，通过仿真建模的方式模拟核电站真实物理条件下的高温高压疏水阀内漏的液汽转化相变场景，对无内漏及不同大小内漏情况下阀后管道温度的分布进行仿真计算和分析，给出内漏流量与温度的非线性关系。结果表明，在一定泄漏范围内，管道温度对内漏量具有显著的敏感性，为核电站快速检测是否存在内漏以及诊断内漏大小提供了有效方法。

关键词：疏水阀；内漏诊断；管壁温度

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概述

核电厂是各种复杂设备的集合，阀门是控制核电厂“血液”的关键设备。核电厂阀门的严密性对机组状态的控制和经济性影响较大。阀门渗漏通常划分为内漏与外漏两类。其中，外漏表现为介质由阀体向外逸散至周边环境，运维人员可借助目视检查直观识别，并能依据泄漏痕迹评估泄漏强度，进而迅速采取干预措施，其检出难度较低。相比之下，内漏发生在阀门腔体内部，缺乏可视化的直接观测条件，且常规流量监测手段难以发现微小内漏，致使该类故障具有较强的隐蔽性，检测难度显著提升。

对于核电站一回路而言，可控的泄漏率是核电站安全稳定运行的前提条件，也是放射性控制的基础。对于核电站二回路而言，高温高压蒸汽不参与做功而通过各种管道和阀门的泄漏直接进入凝汽器或流出，会导致电厂热效率下降，经济性变差。虽然核电厂会对管道阀门进行定期维护，确保阀门的严密性，但由于阀门内漏难以观察和测量，内漏问题仍时有发生。

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国内外阀门内漏研究现状

阀门内漏的主要研究方法集中于声学或超声波检测和基于传热理论的热检测方法。

2.1 基于声学效应进行检测的研究现状

针对阀门内漏的量化问题，工程界已开展多项基于声发射技术Convolutional Block Attention Module, CBAM的研究。早在2007年，Puttmer团队便聚焦于调节阀的内漏特性，明确了其泄漏流量与两端压差之间的定量映射规律。随后，Kaewwaewnoi等人于2010年通过实验获取了多种压力工况及泄漏等级下的声发射数据，验证了声发射信号均方根值RMS与泄漏量之间存在显著的相关性。在此基础上，Shi等在2021年提出了一种面向球阀内漏的诊断策略，采用声发射传感器捕获泄漏诱发的弹性波信号，并引入小波包阈值去噪算法对原始数据进行优化处理，以提升信噪比。

1996年，张艾萍等提出采用声发射进行检漏，利用声波在介质界面处速度的改变进行无损检测，应用声发射检漏仪对汽轮机主汽门、调节汽门、疏水门等阀门进行检漏。2011年，吴真光等采用小波及小波包分析理论对阀门内漏信号进行分解提取，获得了阀门泄漏量与声发射强度的拟合多项式。2021年，马咏等采用声发射原理在阀门上下游0.5~1 m设置测点，使用便携发声检测仪可以完成内漏测量。2024年，Huang等研究声发射技术测量高温环境下的阀门内漏，研究出阀门内漏特征频率主要分布于15~25 kHz之间，并随着泄漏量的增大频率范围也随之变广。在复杂环境下，为了分辨声学特征信号，采用CBAM进行处理，提高了测量准确性。

声学效应虽然发展迅速，但对于嘈杂环境下的测量准确性还是存在明显不足，尤其是需要通过各种手段来辨别杂音信号，难以在核电站的环境下应用。

2.2 基于传热学进行检测的研究现状

国外对阀门内漏基于热力学检测方法的工程研究可追溯到更早时间。1991年，Hayes团队针对阀门上游管道的传热特征数据与阀门内漏量建立关系数据库，并通过计算和测量获取传热特征数据后推测阀门的泄漏量。1998年，Rozlosnik等使用红外成像法诊断阀门内漏量，通过比较阀门未泄漏状态与泄漏状态不同的红外热量图判断阀门是否泄漏，通过对比不同泄漏量下的阀门本体温度场变化即可对阀门的泄漏量大小进行诊断。2010年，Lee团队验证了用阀门外壁面的红外热量变化来诊断阀门是否泄漏，由红外热图结果可得，当阀门密封性好时，阀门上游温度高，阀门下游温度低；如果阀门发生了泄漏，阀门下游管道的温度会随之升高。

国内虽然起步较晚，但也有丰富的研究成果。2004年，袁镇福等利用传热学基本原理进行迭代计算，在电厂再热器疏水管路上进行验证，得出计算值与测量值十分接近，可以估算出阀门的泄漏量。2014年，刘洋等采用圆筒管壁传热模型及最小二乘法研究参数拟合公式，并将计算结果与有限元建模计算结果对比，认为拟合公式计算结果可信。孔华山等研究阀门内漏管壁温度与疏水管长度、内径、泄漏蒸汽压力的关系，并结合阀前阀后温差相对值计算得到与泄漏量的关系。2022年，张冰等研究了不同泄漏量下沿管道流动方向温度的变化、不同管径对上下游测点温度的影响。2022年，胡国晶从热力学耦合角度出发，系统推导了阀门内漏过程中的流体控制方程及传热数学模型，通过有限元仿真明晰了阀体上下游温差与泄漏率之间的非线性映射关系，并据此研制了一款专用于内漏监测的温度采集模块，实现了泄漏温度的实时感知与可视化显示。

2024年，李元姣等设计了4种存在缺陷的阀门模型，基于FLUENT软件流动、蒸发冷凝及传热模型，进行阀门流-热-固耦合仿真，研究认为温度场分布在轴向及周向上存在热分层，在周向热分层2倍管径处适宜设置内漏检测点。2024年，李楠等基于传热学原理利用MATLAB进行编程计算，研究得到温度与流量的三次函数拟合关系式。

基于传热学原理的检测对于环境的要求没有声学测量那么严苛，温度的测量也比较容易，在现阶段更容易在核电站实现。但是目前的研究主要集中在阀前阀后温差的对比，在现实操作中需要拆除阀门前后的保温装置，操作繁琐。本文研究在只拆除阀后保温装置的情况下，如何获得阀门的泄漏量。

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理论模型

3.1 阀门泄漏计算理论

阀门内漏的本质是流体在压差驱动下由阀前至阀后的非规则流动。 从流体力学角度来看,无论泄漏通道如何复杂,其内部工质的流动始终遵循质量守恒、动量守恒与能量守恒三大定律。 而能量传输和转移通常通过导热、对流以及辐射三种方式进行。

3.2 圆筒管壁传热模型

核电厂蒸汽管道疏水阀和前后管道形成了一个典型的圆筒管壁传热模型,当疏水阀发生内漏后,疏水阀前管道内的高温水就向阀后流动,管内的工质热量通过管壁及管壁外的保温层向外部环境传递。当泄漏量达到稳定状态后,传热过程也逐渐趋稳,疏水阀前后管壁温度维持一个相对稳定的状态,并存在一个固定的温差。 其传热过程如图1所示。

图1 疏水管道传热示意图

假设保温层与管道外壁紧密接触，没有气腔。图中t、t₁、t₂、t₃、t_a分别表示介质、管道内表面、管道外表面、保温层外表面以及环境温度。管内介质的热量通过对流换热传递给管道内表面，接着通过导热从管道内表面传递到管道外表面，再以导热的形式从管道外表面传到保温层外表面，最终以辐射和对流换热的形式将热量传递到环境空气中。与此同时，管道与保温层的纵向也有导热。图中Q、Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅分别为介质与管道内表面的换热量、管道内表面与管道外表面的导热量、管道外表面与保温层的导热量、保温层外表面与环境的换热量、管道内的纵向导热量和保温层内的纵向导热量。

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阀门内泄漏温度场模型研究

4.1 研究对象

4.1.1 研究对象的选取

核电站由于高温疏水的泄漏造成的热量损失很可观，高温疏水的泄漏尤其是内泄漏一般情况下运维人员难以通过肉眼直接观察，因此需要通过各种监测手段来判断疏水阀门是否存在内泄漏以及内泄漏的大小。典型的抽汽管线的疏水流程如图2所示。

图2 抽气管线疏水流程示意图

核电厂抽汽管线紧急疏水系统包括去凝汽器和去废液收集系统两个支路。其中去凝汽器的支路又分为疏水器和疏水阀两路，是正常疏水去向；另一路是去废液收集系统，系统各处的疏水管线往往统一汇集在一起，如果发生泄漏很难判断具体是哪一根管线泄漏。无论是去凝汽器还是去废液收集系统，其泄漏的工质往往有较高的温度和压力，会造成整个热力系统热效率的下降。

因此选取某核电机组一级抽汽逆止阀后疏水阀及相应的阀前、阀后疏水管道进行研究。

4.1.2 材料

统计某核电厂一级抽汽系统疏水阀及阀前、阀后管道材料，其结果如表1所示。

表1 疏水阀及阀前、阀后管道材料

管道阀门材料物理性能如表2所示。

表2 管道阀门材料物理性能

4.2 建模

4.2.1 几何模型

使用Workbench R2025自带的Design modeler进行阀门的几何建模，模型视图见图3。饱和蒸汽从阀门左侧进入，流经管长300 mm、管内径50 mm、壁厚5.6 mm的入口管道，经过疏水阀后，经过管长1800 mm、管内径50 mm、壁厚5.6 mm的出口管道，最终进入凝汽器真空环境中。通过在阀门密封面附近开正方形孔来模拟阀门内漏，孔边长大小表征阀门内漏量的大小。在Design modeler中完成流体填充操作，流体部分与固体部分共享拓扑，并对阀门和管道各个边界进行命名。

图3 抽汽疏水阀门模型

4.2.2 网格划分

将建立完成的几何模型导入Workbench R2025的Fluent带网格划分的模块中，对导入的几何模型进行前处理。在Mesh中划分网格，依据整体几何模型的大小进行划分，在内漏孔处进行局部加密处理。网格划分结果及内漏孔局部加密情况如图4所示。

图4 网格划分及内漏孔局部加密示意图

4.2.3 网格无关性验证

取1 mm内漏孔模型进行网格无关性验证，分别在网格数量为1627267、2284987、2475032的模型中获取出口管道上表面的温度分布，在阀门下游管道600 mm处选点，结果见表3。

表3 网格无关性

如表3所示，随着网格规模增至220万量级，数值计算结果趋于稳定，表明此时网格独立性已得到满足。综合考虑计算精度与效率，后续仿真将网格总数控制在220万左右。

4.3 仿真设置

4.3.1 计算模型选择

将划分好网格的模型导入Fluent中进行仿真计算，考虑重力影响，设置为9.81 m/s²。由于本文研究的是温度场的分布，因此开启能量方程和稳态计算。选择模型为Realizable k-ε的可扩展壁面函数。由于管道上下游压差较大，在内漏孔处存在液-汽转换，开启多相流Mixture模型并采用蒸发-冷凝LEE模型，饱和温度-压力曲线采用UFD自定义设置。因研究对象最高温度仅有230 ℃，由辐射引起的热量散失所占比重较低，故不考虑辐射散热。入口介质为饱和水，经过内漏孔后迅速汽化为水蒸气。入口管道材料选用A335P22，阀门本体及阀后出口管道材料选用A351CF8。考虑到模型几何结构的对称性，为降低计算成本，采用半模型进行仿真计算。

4.3.2 边界条件设置

根据实际核电站一级抽汽管线物理模型，入口管道采用pressure-inlet边界，入口压力为2.74 MPa，入口流体温度为503.15 K，湍流水力直径为50 mm，出口管道采用pressure-outlet边界。在核电站阀门内漏检查时，通常会保留阀门上游管道的保温层，去除阀门下游管道的保温层。因此设置阀前管道外壁面为绝热条件，阀后管道外壁面与空气接触为自然对流，自然传热系数选取10 W/(m²·K）。管道内壁与流体的边界层传热使用coupled方法，确保流固边界层进行耦合传热。由于本例存在多相流变化，直接计算容易发散，因此在计算时，先不考虑多相流，以单相流（饱和水）进行计算，待计算收敛后开启多相流模型并使用伪瞬态方法继续计算，直到参数趋于稳定。

通常疏水管道贴近地面布置，考虑到运维人员测量的便捷性，选取管道上表面外壁温度进行研究。

4.4 仿真结果及分析

4.4.1 无内漏情况下阀门下游管道温度分布

对无内漏孔的模型进行仿真计算，此时没有介质通过下游管道，如果忽略热辐射，阀门下游管道的温度则完全由管道金属的热传导和外壁面自然对流决定。图5是无内漏情况下的阀门下游管道温度分布，可以看出，温度在管长400 mm内迅速下降并逐渐趋于室温。

图5 无内漏下阀门下游管道温度分布

4.4.2 不同孔边长下阀门下游管道温度分布

选取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm的内漏孔边长共5种工况进行计算，不同内漏孔边长下的阀门内泄漏的温度场分布如图6所示。

图6 不同内漏孔边长下的阀门内泄漏的温度场分布

由模拟结果可得，在其他变量相同的情况下，内漏孔边长的大小会影响模型的温度分布，随着内漏孔边长的增大，下游管道外壁面温度呈现逐渐升高的趋势。

对比图5和图6，当阀门无内漏时，阀门下游管道温度随着管长增加而快速下降。当阀门出现内漏时，随着阀门内漏量的增加，阀门下游管道温度逐渐升高且明显高于无内漏时相同位置处的温度。当泄漏量达到一定程度后，阀门下游管道温度场将趋于稳定，并与上游管道温度基本一致。

4.4.3 阀门内漏孔边长与泄漏量的关系

根据GB/T 34618-2017《蒸汽疏水系统在线阀门内漏温度检测方法》，阀门内漏等级由小到大，分别为微漏、一般泄漏、严重泄漏，如表4所示。此外，亦有其他相关论文对电厂阀门泄漏量进行了分级。

表4 阀门内漏等级

通过仿真计算，高压疏水阀管道入口和管道出口流量差异很小并趋于稳定，在2.74 MPa压力下，改变内漏孔边长的大小，得到阀门内漏的泄漏量，如表5所示。

表5 阀门内漏孔边长与泄漏量的关系

可以看出，在选取的内漏孔边长范围内，阀门泄漏量随着内漏孔边长的增加而增大。同时，内漏孔边长达到1 mm时，便已经达到严重泄漏等级。

4.4.4 阀门内漏孔边长与温差的关系

考虑到流动稳定性，选取流动充分发展区域的管长500 mm、700 mm、900 mm、1100 mm、1300 mm、1500 mm处，无内漏与1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm内漏孔边长管道外壁温度的差值，即温差1是1 mm内漏孔边长管道与无内漏管道外壁温度的差值，具体数值见表6。

表6 无内漏与有内漏温差表

可以得出，同一内漏孔随着管长的增加与无内漏管道温差逐渐变小；同一管长处的温差随着内漏孔边长的增大而逐渐增大。

4.4.5 阀门内漏流量与温差的关系

结合第4.4.3和4.4.4节内容，可以获得阀门内漏量与温差的关系，如图7所示。

图7 阀门内漏量与温差的关系

总体上看，随着内漏流量的增大，管道外壁面温度也随之增加；在小泄漏流时（流量小于0.4 kg/s），管道外壁面温度随着流量的增大上升速率较大；在大泄漏流时（流量大于0.4 kg/s），管道外壁面温度随着流量的增大上升速率趋缓。这主要是因为泄漏量较小时，管道内介质的扩散较慢，高温流体与管道有足够的时间进行对流换热，且随着流量的增大，其湍流程度也逐渐增加，使得换热系数快速上升，最终温度升高速率较快。而在大泄漏量时，一方面介质扩散较快，高温流体快速流过管道，与管道接触时间较短；另一方面，在大泄漏流下管壁温度与介质温度已经比较接近，温差减小导致传热量也会减小，从而使得温度上升趋于平缓。因此，测温法对小泄漏流敏感度更高。

观察不同管长处，温度随泄漏流量升高的趋势基本相同，因此只要避开管道流体湍流程度较大的起始和末端，即可获得较为稳定的泄漏量与温差的对应关系。

4.4.6 阀门内漏流量与温差的关系的应用

由于核电站通常运行稳定，较少出现功率波动，因此管道的温度基本变化不大。运维人员在日常工作中可以对容易发生内漏且对热效率有一定影响的管道进行标定，选取阀门下游管道500~1500 mm处进行初始温度测量。当阀门出现内漏时，可以与初始标定温度进行对比，即可比较迅速地得知是否内漏以及估算内漏量的大小。

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结语

通过对核电站高压疏水阀进行建模，采用两相流模型进行仿真计算，根据仿真结果得到以下结论：

（1）在一定范围内，随着内漏量的增大，阀后下游管道外壁温度也随之升高。

（2）在小泄漏流时，管道外壁面温度随着流量的增大上升速率较大；在大泄漏流时，管道外壁面温度随着流量的增大上升速率趋缓。因此，测温法对小泄漏流敏感度较高。

（3）当泄漏量达到一定程度后，阀门下游管道温度场将趋于稳定，并与上游管道温度基本一致。

研究结果可以为核电站高压抽汽疏水阀内漏的快速识别和内漏量的确定提供参考。

引用格式：

魏君安,马哲辉,刘闯,等.基于传热的高压抽汽疏水阀门内漏温度分布仿真研究[J].阀门,2026,(7):768-774.DOI:10.16630/j.cnki.1002-5855.2026.07.013.

*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第7期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。