閥門端部載荷試驗加載方向的分析

　　對閥門管道端部加載試驗的載荷方向進行了分析，驗證了ASME QME-1 關(guān)于加載方向的合理性。

1、概述

　　核電能動機械設(shè)備的鑒定標準ASME QME-1規(guī)定了用于核電站的能動機械設(shè)備鑒定的要求和準則，其中包括了鑒定的原理、程序和方法。在ASME QME-1 的QVP-7370.1(d) 中對于閥門端部加載試驗力矩應(yīng)當作用于最可能對試驗閥門裝置產(chǎn)生不利影響的平面和模式。對于大多數(shù)的閘閥和截止閥來說，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為通�？紤]為閥桿和管道中心線所在的平面，并趨向于關(guān)閉閥蓋孔。

2、研究內(nèi)容

　　在具體的試驗過程中，端部載荷通常是使用加載在延伸管道的一段，而力的方向為垂直向上( 圖1) 。端部的力矩加載的平面為閥桿和管道中心線所在的平面，這一點符合ASME QME-1 中的要求，力的方向為垂直向上，形成的力矩為逆時針方向并且趨向于關(guān)閉閥蓋孔，也是符合ASME QME - 1的要求。針對ASME QME-1 規(guī)范中端部加載的力矩方向必須趨向于關(guān)閉閥蓋孔的規(guī)定，通過理論的分析和有限元分析作出簡要的論證。

3、理論分析

　　將閥門端部加載視為一個梁的彎曲過程。當梁彎曲時，凸邊上的纖維拉長，而凹邊上的纖維縮短，中性面垂直于載荷作用平面，并通過各截面的形心。因此，任何截面的中性軸均為水平的中性軸。截面保持為水平，纖維的單位應(yīng)變和應(yīng)力與距中性面的距離成正比。

圖1 端部加載試驗

　　設(shè)L 為梁截面對中性軸的慣性矩，E 為材料的彈性模量，則可以得到任意點q 的纖維應(yīng)力σ = -M × Y /L，式中，M 為通過q 點截面上的彎矩，Y 為中性軸至q 點的距離。任意點q 的切應(yīng)力τ = V × A ×Y' /L × B，式中，V 為通過q 點截面上的垂直剪切力，A 為q 點以上或者以下部分截面的面積，Y'為中性軸至面積A 形心的距離，B 為通過q 點截面上測得的凈寬。

　　從梁的彎曲計算基本公式可以得出，任何截面上的最大纖維應(yīng)力均位于距中性軸最遠的一點或者幾點上，而梁中的最大纖維應(yīng)力位于作用有最大彎矩的截面上，最大橫向切應(yīng)力位于作用有最大垂直剪力的截面上，任何截面上的最大橫向切應(yīng)力均位于中性軸上。

　　若將閥門以及管道視為一個變截面的梁，梁的彎曲計算基本公式只能作為參考，因為其只適用于靜定梁，超靜定問題基本不適用。梁截面的突變會引起很高的局部應(yīng)力，最大水平和垂直切應(yīng)力不在中性軸上，而在上下表面上，這樣的水平切應(yīng)力通常容易引起破壞，這種破壞如果存在的話，是由壓應(yīng)力引起的。分析得出，若該應(yīng)力具有重復(fù)性，將會很容易引起疲勞破壞，這也就是ASME 規(guī)范在疲勞分析中非常關(guān)注閥體轉(zhuǎn)角區(qū)域的厚度連續(xù)性問題的原因。當然，梁截面突變引起的局部應(yīng)力也可適當考慮應(yīng)力集中系數(shù)。

　　如果把裝在管道上的閥門管道以上延伸部分看成是在梁上的集中力，那么對于一個簡支梁或者一端簡支一端受力或力矩的梁來說，集中力存在的部位即是彎矩最大的部位。

　　通過理論分析可以得出結(jié)論，對于閥門端部載荷引起的彎曲應(yīng)力，在閥門整體結(jié)構(gòu)突變部位的截面上最大，如果存在破壞，則是由于壓應(yīng)力造成的，可見對于端部力矩的加載方向，應(yīng)該是趨向于關(guān)閉閥蓋孔的方向( 逆時針方向) 。

5、結(jié)語

　　通過理論分析和有限元分析，驗證了ASME QME -1 中對于端部加載試驗的規(guī)定，( 端部加載) 試驗力矩應(yīng)當作用于最可能對試驗閥門裝置產(chǎn)生不利影響的平面和模式。對于大多數(shù)的閘閥和截止閥來說，通�？紤]為閥桿和管道中心線所在的平面，并趨向于關(guān)閉閥蓋孔。在規(guī)范中，同時還考慮了相關(guān)的因素，如閘閥或者截止閥在開啟和關(guān)閉過程中可能會出現(xiàn)的密封件卡塞現(xiàn)象等，這是力矩方向引起的變形問題，可以通過分析其彎曲應(yīng)力得出論證結(jié)果。