核二級電動截止閥抗震分析

　　基于有限元分析方法，應用ANSYS計算閥門整機的振動模態(tài)以及在承受地震載荷及設計組合載荷共同作用下的應力及變形，然后根據(jù)ASME規(guī)范對承壓邊界部件作出應力評定和強度校核。結果表明，核二級電動截止閥在SSE地震載荷及設計組合載荷作用下能保持結構完整性和可運行性。

1、概述

　　核安全級閥門是核電站中重要的安全設備之一。根據(jù)相關核安全法規(guī)的要求，核電站的核級與非核級能動設備必須通過分析、試驗、檢驗或綜合手段證明設備在地震載荷及設計組合載荷作用下能保持結構完整性和可運行性。隨著基礎理論及現(xiàn)代技術的發(fā)展，在現(xiàn)代核電站抗震設計中，有限元法已成為各類相關設備抗震分析與評價的主要數(shù)值仿真工具。本文以核二級電動截止閥為例，在前處理器HyperMesh里建立三維有限元模型，用AN-SYS計算該閥門整機的振動模態(tài)以及在承受地震載荷及設計組合載荷共同作用下的應力及變形，然后根據(jù)ASME規(guī)范對承壓邊界部件作出應力評定、強度校核以及能動部件的變形評價，驗證設備的結構完整性和可運行性。

2、閥門結構

　　核二級電動截止閥(圖1，電動裝置視為一剛體質量塊，以質量單元加在支架上)安全級別為二級，抗震類別為1A。設計壓力為6.4MPa，設計溫度為200℃。閥體、閥蓋和閥瓣由SA-182MF316制成，200℃下最大許用應力值為134MPa。支架由SA-351MCF8M制成，最大許用應力值為138MPa。閥桿由SA-705M630制成，最大許用應力值為285MPa。閥體通過螺栓與閥蓋連接，電動裝置的質量約為45kg，其重心位置坐標為(50，100，659)。

圖1 三維模型

3、模態(tài)計算

　　閥門模態(tài)計算的目的是確定第一階固有頻率是大于還是小于33Hz，從而確定是利用等效靜力方法還是動力分析方法進行計算。

　　對閥門進出口法蘭的端面進行固定約束和模態(tài)計算(圖2)，提取三階固有頻率數(shù)，其計算結果見表1。

表1 閥門固有頻率

圖2 閥門前三階模態(tài)振型

　　根據(jù)閥門試驗報告，其測得的前三階固有頻率分別為43.45Hz、46.38Hz和第三階>100Hz，計算基頻與試驗結果基本一致。由于閥門最低固有頻率均超過33Hz，可視為剛性結構。因此，可用等效靜力分析方法進行抗震分析。

4、抗震分析模型

4.1、地震載荷輸入

　　通常當設備固有頻率大于33Hz時，可采用等效靜力分析方法進行計算，即SSE地震載荷取三方向的加速度值做為地震輸入。根據(jù)《研制任務書》規(guī)定，兩個水平方向作用5g地震加速度值，垂直方向作用4g加速度值。

4.2、載荷組合與應力限值

　　抗震分析一般只對第二類和第四類工況進行，第二類工況考慮OBE地震，第四類工況考慮SSE地震。為了計算方便和結果安全，在進行建模計算和限值評定時，使用最嚴重的載荷組合(即事故工況D級載荷)和最嚴格的應力限值(即A級的應力限值，表2)。因此，如果這種情況下的應力限值得到滿足，則其他工況的計算結果也必小于相應的應力限值，即設計和A、B、C級工況均可滿足。

表2 載荷組合及所應用的應力限值

　　注：表中的應力限值取自ASME規(guī)范第III篇表NC-3521-1。

　　σm：總體薄膜應力強度σb：一次彎曲應力強度σL：局部薄膜應力S：最大許用應力值

　　核閥抗震分析充分考慮設計壓力、設計溫度、設備自重、螺栓預緊力等使用載荷和地震載荷。閥門的設計壓力為6.4MPa，為計算安全，事故工況下作用壓力取值為1.5倍設計壓力，閥門的設計溫度主要用來確定此溫度下材料的許用應力，而不考慮由于溫度作用產生的熱應力(二次應力，相對由壓力引起的應力，數(shù)值很小，可忽略)，螺栓預緊力值則根據(jù)滿足緊密要求的設計計算獲得，設備自重考慮為在設備施加1g的重力加速度。

4.3、有限元模型

　　建模時，在不影響分析結果的前提下對閥門結構部件進行簡化�？紤]到電動裝置的整體剛性很強，其對閥門的主要作用是施加慣性載荷，因此在計算中將電動裝置簡化為在其質心處的一個集中質量點，通過多點約束的形式連接到支架的上端面。利用前處理軟件HyperMesh建立三維有限元模型，模型采用SOLID95實體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元及PRETS179預緊單元、MASS21質量單元，一共劃分89382個單元，216852個結點。閥門整體模型各部件之間的連接主要通過網格節(jié)點協(xié)調連續(xù)、MPC約束、建立接觸對的方法進行處理。

　　考慮最惡劣的工況承受最不利的載荷組合，計算事故工況(1.5×設計內壓+螺栓預緊力+設備自重+SSE載荷)，在閥門進出口法蘭的端面進行固定約束，作用均布壓力為6.4×1.5=9.6MPa，螺栓預緊力值根據(jù)設計計算書獲得，SSE地震載荷按照水平方向5g、垂直方向4g加速度設置，自重影響只在垂直方向設置為1g加速度，計算有限元模型如圖3所示。

圖3 閥門計算有限元模型

5 、承壓邊界計算結果及評定

　　閥門承壓邊界的分析對象包括閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣。分析計算它們在事故工況下的應力，然后進行應力強度校核與評定。閥體、閥蓋作為壓力容器體，是基于應力分布確定典型的危險截面，根據(jù)應力分類原則，利用ASME規(guī)范進行應力強度評定。閥桿、閥瓣和支架均采用不銹鋼塑性材料，分析采用第三強度理論進行評定。

5.1、閥體和閥蓋應力評定

　　閥門整機在內壓、自重、螺栓預緊力和SSE地震載荷組合作用下的應力強度計算結果如圖4所示。選取閥體和閥蓋薄弱部位的應力評定截面(穿過壁厚的應力評定線，圖5)，利用ANSYS后處理器的Path功能計算評定截面的薄膜應力σm和薄膜加彎曲應力σm+σb。最大薄膜應力發(fā)生在A-A截面，值為36.54MPa，而最大薄膜加彎曲應力產生在C-C截面，值為73.15MPa，分析用應力限值保守地取A級的限值，即σm≤1.0S，σm+σb≤1.5S，S為閥體、閥蓋的許用應力，值為134MPa，顯然滿足應力限值要求。

圖4 閥門總體應力強度云圖

圖5 應力評定截面示意圖

5.2、支架、閥瓣和閥桿校核

　　在內壓、自重、螺栓預緊力和SSE地震載荷組合作用下，支架、閥瓣和閥桿的最大應力強度值分別為113.5MPa、99MPa和146MPa，分別小于其材料許可應力值138MPa、134MPa和285MPa。

　　根據(jù)要求，可動部件與靜止部件的相對變形不超過實際間隙的90%，即閥桿與閥蓋的間隙要求控制在0.4mm內。根據(jù)計算，閥桿在事故工況下的最大變形量為0.31mm，在設計要求的范圍內，能保證能動部件在地震時和地震后的可運行性。

5.3、中法蘭與螺栓應力校核

　　在內壓、自重、螺栓預緊力和SSE地震載荷組合作用下，中法蘭與螺栓應力校核見表3，支架與壓板聯(lián)接螺栓的應力校核見表4。

表3 中法蘭與螺栓應力校核

表4 支架與壓板聯(lián)接螺栓應力校核

6、結語

　　應用ANSYS進行抗震分析過程中采用最惡劣的工況、最不利的載荷組合，計算閥門設備的各重要部件的應力，然后利用最嚴格的應力限值(評定準則)進行評定。在閥門的制造和材料等均符合ASME規(guī)范相應要求的前提下，核二級電動截止閥，在內壓、自重、螺栓預緊力和地震載荷組合作用下，閥門各部件的應力均小于規(guī)范限值，變形控制在可接受范圍內。因此，閥門在SSE地震事故工況條件下能保持結構完整性及可運行性。