核二級手動截止閥的抗震分析

1、概述

　　在核電站各系統(tǒng)中，承擔(dān)、支持核電廠基本安全功能或具有防止、緩解事故功能的閥門被定為核安全級閥門。根據(jù)國家核安全法規(guī)，核安全級閥門在抗震分類中均應(yīng)列為抗震Ⅰ類，采用SL-2 地震載荷( 極限安全地震載荷) 進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。

　　在核級閥門抗震設(shè)計(jì)過程中，需要對地震載荷下閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和評價(jià)，校核其壓力邊界的完整性。一般采用的根據(jù)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)算法、圖表和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算的方法不能滿足這一要求，必須采用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的方法，比如核級設(shè)備設(shè)計(jì)中已廣泛應(yīng)用的有限元分析法( FEA) 。本文根據(jù)ASME Ⅲ NC 卷中有關(guān)分析法設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，采用有限元分析法對核二級手動截止閥進(jìn)行地震載荷下的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算。

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　核級手動截止閥由閥體、閥體連接件、閥蓋、閥桿組件、填料、傳動桿及手輪等組成( 圖1) 。閥門進(jìn)口直接與高壓管道焊接，閥門出口通過螺紋接頭連接下游管道。由于閥門規(guī)格尺寸較小，直接通過兩端連接的管道進(jìn)行支撐。

1. 閥體2. 閥體連接件3. 閥桿組件4. 閥蓋5. 傳動桿6. 填料7. 手輪

圖1 核級手動截止閥

　　閥門主要設(shè)計(jì)參數(shù)安全等級核二級，公稱通徑( mm) 10；設(shè)計(jì)壓力( MPa) 18；設(shè)計(jì)溫度( ℃) 350；主要材料A182 F321；質(zhì)量( kg) 2. 45；外形尺寸( mm) 140 × 60 × 200

3、載荷組合及評定準(zhǔn)則

　　分析中所考慮的載荷主要包括內(nèi)壓、自重接管載荷和地震載荷。

　　(1) 內(nèi)壓

　　內(nèi)壓作用于閥體、閥體連接件和閥蓋內(nèi)表面上。同時(shí)，在閥蓋與閥桿螺母相連接的螺紋面上沿閥桿軸向施加內(nèi)壓對閥桿產(chǎn)生的力載荷。

　　(2) 自重

　　閥內(nèi)的介質(zhì)和附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等效到閥體、閥體連接件和閥蓋上。

　　(3) 接管載荷

　　在閥體進(jìn)口端面施加固定約束，在閥體出口螺紋面施加管口載荷。

　　(4) 地震載荷

　　分為運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE) 和安全停堆地震(SSE) 。對于安裝在管道上的閥門，SSE 加速度反應(yīng)譜的峰值加速度為4.5g，OBE 取SSE 的1 /2。根據(jù)ASME 規(guī)范，應(yīng)對上述載荷按設(shè)計(jì)載荷和A、B、C、D 四級使用載荷進(jìn)行載荷組合后開展分析和評價(jià)( 表1) 。各使用限制分別與正常、異常、緊急及事故工況相對應(yīng)。

表1 載荷組合

　　對于安全二級閥門，根據(jù)文獻(xiàn)表NC-3521-1，各使用載荷對應(yīng)的應(yīng)力評定準(zhǔn)則如表2 所示。

表2 應(yīng)力評定準(zhǔn)則

　　根據(jù)文獻(xiàn)D 篇表1A，閥門主體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力值為S = 121MPa。

4、模型建立

　　為便于模型建立及分析需要，對核級手動截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，僅保留閥體、閥體連接件和閥蓋等主要承壓零部件，并簡化去掉了小倒角和螺紋等幾何特征( 圖2) 。

圖2 閥門的幾何模型

　　閥內(nèi)的介質(zhì)和附加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量采用等效密度的方式附加到對應(yīng)的殼體上，閥體、閥蓋和閥體連接件之間采用設(shè)置接觸對的方式連接起來。建模及分析使用通用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行，有限元模型以10 節(jié)點(diǎn)四面體單元建立，包含39 562 個(gè)單元，69 070 個(gè)節(jié)點(diǎn)( 圖3) 。

圖3 閥門的有限元模型

5、應(yīng)力分析及評定

　　首先對閥門進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到閥門的基頻為171Hz，大于33Hz，滿足剛性部件條件，可采用等效靜力法進(jìn)行抗震分析。將地震加速度反應(yīng)譜中峰值加速度的1. 5 倍作為當(dāng)量加速度加載，計(jì)算時(shí)需同時(shí)考慮三個(gè)方向的地震載荷。

　　在設(shè)計(jì)工況下，根據(jù)表1 中的設(shè)計(jì)載荷組合進(jìn)行加載，經(jīng)過靜力分析計(jì)算得到閥門的主應(yīng)力云圖( 圖4) 。在閥體內(nèi)壁根部的應(yīng)力達(dá)到最大，最大主應(yīng)力為112.02MPa。

圖4 設(shè)計(jì)工況下閥門主應(yīng)力云圖

　　根據(jù)表2，需要評定一次薄膜應(yīng)力σm和一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力σL + σb，采用應(yīng)力線性化方法評定。在計(jì)算結(jié)果中主應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)處沿閥體壁厚方向設(shè)定應(yīng)力分析路徑。經(jīng)線性化處理后得到應(yīng)力徑向線性化分布曲線( 圖5) �？傻迷O(shè)計(jì)工況下主應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處σm = 26.104MPa < S，σL + σb =62.95MPa < 1.5S，滿足規(guī)范要求。由于設(shè)計(jì)壓力高于運(yùn)行壓力和事故壓力，由表1 可見，設(shè)計(jì)載荷可以包絡(luò)A 級、B 級及C 級使用載荷。而由表2 可見，設(shè)計(jì)載荷的評定限值卻比A級、B 級及C 級使用載荷更嚴(yán)格。因而，在設(shè)計(jì)工況評定合格的情況下無需再評定正常、異常和緊急工況。

圖5 設(shè)計(jì)工況應(yīng)力線性化分布曲線

　　采用與設(shè)計(jì)工況同樣的分析方法，可得到事故工況下D 級使用載荷計(jì)算結(jié)果，最大主應(yīng)力為97.797MPa，主應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處σm = 23.116MPa

6、結(jié)語

　　根據(jù)規(guī)范要求，采用三維有限元分析軟件對核二級手動截止閥進(jìn)行了各工況下的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，并按照ASME Ⅲ NC 分卷有關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行評定，可以得出，在包括地震在內(nèi)的各種載荷作用下，閥門主要部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠保證壓力邊界的完整性。