核安全級安全閥抗震應(yīng)力分析與評定
介紹了安全閥抗震分析的一般步驟。利用ANSYS 軟件計算了核安全級彈簧式安全閥在地震工況下的三維應(yīng)力分布, 根據(jù)ASM E鍋爐和壓力容器規(guī)范進(jìn)行了完整性評定。
1、概述
核安全級安全閥是核電站中重要的安全設(shè)備之一, 用以防止系統(tǒng)壓力超過允許的極限, 確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。隨著第三代核電站的建設(shè), 對核安全級安全閥的設(shè)計和制造提出了更高要求。安全閥必須能夠承受包括地震載荷在內(nèi)的組合載荷, 并且不會發(fā)生破壞或失穩(wěn), 從而滿足結(jié)構(gòu)完整性和功能要求。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展, 利用有限元軟件構(gòu)建閥門三維模型, 進(jìn)行各種工況下的結(jié)構(gòu)完整性分析技術(shù)已經(jīng)日趨成熟, 并已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文以某型號核安全二級彈簧式安全閥為例, 利用ANSYS 11.0軟件進(jìn)行了安全閥的模態(tài)頻率計算和應(yīng)力分析, 并根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范對安全閥在地震工況下的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了應(yīng)力評定。
2、分析方法
為了保證安全閥在使用期限內(nèi)能夠安全運(yùn)行,必須進(jìn)行抗震分析, 檢驗閥門各部位是否有足夠的強(qiáng)度和剛度。一般考慮運(yùn)行基準(zhǔn)地震(Operating Basis Earthquake, OBE ) 和安全停堆地震( Safe Shutdown Earthquake, SSE) 兩類地震載荷。
抗震分析一般可分為建立模型(合理簡化安全閥結(jié)構(gòu)部件, 建立能準(zhǔn)確反映其動力特性的有限元模型) 、頻率計算(計算安全閥的自振頻率, 如果該閥門最低自振頻率大于33Hz, 則在應(yīng)力計算時可采用等效靜力法。如果小于33Hz, 則必須采用動力法) 、應(yīng)力計算(根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及閥門實際工況, 確定邊界條件及載荷組合。利用有限元軟件進(jìn)行各種工況下安全閥的應(yīng)力分析, 特別是關(guān)鍵(或危險) 位置處的應(yīng)力分布) 和安全評定(對閥門關(guān)鍵部位的應(yīng)力, 按照不同的使用等級進(jìn)行應(yīng)力分類和組合, 再按照對應(yīng)的應(yīng)力限值進(jìn)行應(yīng)力評定, 同時確定閥門是否滿足最大變形限制) 4步。根據(jù)應(yīng)力評定結(jié)果, 即可判斷出該安全閥能否在地震工況下安全運(yùn)行。
3、有限元模型
3.1、參數(shù)
安全閥的等級為核安全二級, 設(shè)計壓力為4.0MPa, 二次側(cè)設(shè)計壓力為1.5MPa, 設(shè)計溫度為200℃。閥體、閥座和閥蓋材料均為SA - 182MF304, 螺栓材料為SA - 193M B7。根據(jù)ASMEBPVC IID分卷, 200℃下的兩種材料的許用應(yīng)力S分別為116MPa 和170MPa。材料彈性模量E =210GPa, 泊松比v = 0.3, 密度ρ= 7 800kg/m3。
3.2、建模
考慮到安全閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 為便于分析, 采取在ANSYS中直接建模的方式。閥體模型的建立除忽略不相關(guān)的微小幾何特征(均在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)突變的區(qū)域) , 其他形狀和尺寸均與設(shè)計圖紙一致。
圖1 安全閥三維有限元模型
考慮到閥體物理形狀、材料、載荷等都具有對稱性, 沿對稱面截取一半有限元模型進(jìn)行計算。這樣做既可縮短分析求解時間, 提高運(yùn)算速度, 又可將單元可劃分更細(xì), 計算結(jié)果更精確。
模型采用結(jié)構(gòu)單元Solid95。使用ANSYS軟件的智能網(wǎng)格劃分( Smart Size) 工具, 根據(jù)閥體模型的形狀和尺寸, 及所設(shè)置的精度級別, 自動選擇合適的網(wǎng)格密度進(jìn)行劃分。一共劃分了66 373個單元(圖1) 。
螺母與法蘭之間的相互作用采用面接觸單元Conta174和Targe169 單元的接觸對模擬, 忽略螺栓孔與螺栓之間、墊片與螺母之間的相互關(guān)系, 螺母與法蘭之間的摩擦系數(shù)為0.3。螺栓的預(yù)緊力采用Prets179單元模擬, Ansys在已分網(wǎng)格的相應(yīng)位置上建立預(yù)緊單元。
3.3、載荷及邊界條件
根據(jù)安全閥的實際工作情況, 在進(jìn)出口法蘭處取固定邊界約束, 在對稱面上施加位移對稱邊界約束�？拐鸱治隹紤]的載荷主要包括內(nèi)壓、地震、自重、預(yù)緊力和接管載荷等。考慮SSE地震工況(即設(shè)計壓力+二次側(cè)壓力+ SSE地震+自重+螺栓預(yù)緊力+接管載荷) , 則SSE地震加速度按照水平方向5g、垂直方向3.5g設(shè)置。求解時采取3個載荷步。第1步中施加預(yù)緊力, 計算預(yù)緊力單獨作用下的結(jié)果作為初始狀態(tài)。第二步鎖定因預(yù)緊載荷引起的預(yù)緊節(jié)點位移, 并在以后的載荷步中保持不變, 這就真實地模擬了螺栓預(yù)緊后的情況。第三步施加各種載荷, 計算閥門應(yīng)力分布。
4、應(yīng)力分析及評定
4.1、頻率分析
首先計算安全閥在兩種不同約束條件下的自振頻率。先考慮約束進(jìn)口法蘭情況下, 計算得到該安全閥第一階自振頻率為73.5Hz (圖2a) 。與該閥進(jìn)行抗震試驗時所測的最低自振頻率79.7Hz較接近, 驗證了本文有限元分析模型的可靠性。接著計算安全閥在現(xiàn)場實際運(yùn)行時, 即同時約束進(jìn)出口法蘭情況下的自振頻率, 該閥第一階自振頻率為395.27 Hz (圖2b) 。兩種約束情況下安全閥第一階自振頻率均大于33Hz, 因此可采用等效靜力法進(jìn)行應(yīng)力計算。
(a) 自振頻率為73.5Hz (b) 自振頻率為395.27Hz
圖2 安全閥第一階頻率模型振型
4.2、應(yīng)力計算
根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn), 對不同性質(zhì)的應(yīng)力, 按照不同的限制條件進(jìn)行分析。首先根據(jù)應(yīng)力分布確定典型的危險截面進(jìn)行評定, 然后選取內(nèi)外壁相對的兩個節(jié)點設(shè)置路徑, Ansys自動將應(yīng)力值進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化分類處理, 然后根據(jù)相應(yīng)限值進(jìn)行分類評定。應(yīng)力限值取A 級, 即σm < 1.0s, σm +σb< 1.5s。安全閥進(jìn)口頸、出口頸、閥體焊接處、進(jìn)出口法蘭為重點關(guān)注的危險區(qū)域, 表1中列出了這5處詳細(xì)的應(yīng)力計算結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果可知, 安全閥在地震工況下的應(yīng)力值均小于對應(yīng)限值, 并有一定的安全裕度, 因此該型號安全閥滿足抗震要求。
表1 安全閥主要部件應(yīng)力計算損傷定位測試樣本
5、結(jié)語
通過有限元軟件進(jìn)行抗震分析, 可全面直觀地了解安全閥的應(yīng)力變形分布情況, 為核安全級閥門的設(shè)計提供可靠的參考依據(jù), 將進(jìn)一步提高核安全級閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。本文只是進(jìn)行了靜力分析,要詳細(xì)分析閥門在地震譜作用下的應(yīng)力變化過程,還需進(jìn)行響應(yīng)譜分析。
