閥門(mén)核級氣動(dòng)執行機構抗震分析

1、概述

　　核電站現場(chǎng)使用的閥門(mén)氣動(dòng)執行機構必須按照核電相關(guān)標準和規則進(jìn)行鑒定試驗，全部鑒定試驗項目通過(guò)后，方被認定為核級產(chǎn)品，允許投入核電站運行�？拐鹪囼炇侵匾�的鑒定試驗項目，目的在于考核核級產(chǎn)品在設計基準地震事故和安全停堆地震事故時(shí)及事故后仍能保持結構完整，并能夠執行安全功能。為提高產(chǎn)品抗震試驗的成功率，有效降低開(kāi)發(fā)成本，在產(chǎn)品設計階段，對所設計的氣動(dòng)執行機構進(jìn)行模態(tài)分析和抗震分析，了解其結構上的薄弱環(huán)節，進(jìn)而采取相應的優(yōu)化改進(jìn)措施非常必要。

2、工作原理

　　HQ2F-D6.5是雙膜片氣動(dòng)執行機構，主要由殼體、手動(dòng)部件、氣路部件(包括電磁閥、減壓閥)、膜片部件、推力軸、碟簧、支架部件和行程部件等組成(圖1)。通電時(shí)，電磁閥動(dòng)作，壓縮氣通過(guò)減壓閥進(jìn)入氣動(dòng)執行機構腔內，氣壓通過(guò)膜片向上壓縮碟簧，帶動(dòng)推力軸向上運動(dòng)，使閥門(mén)開(kāi)啟，并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)輸出閥門(mén)開(kāi)啟到位信號。斷電時(shí)，電磁閥復位，腔內氣壓消失，碟簧依靠自身彈力帶動(dòng)推力軸向下運動(dòng)，使閥門(mén)關(guān)閉，并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)輸出閥門(mén)關(guān)閉到位信號。另外，也可以通過(guò)旋轉手輪壓縮碟簧，控制推力軸上下運動(dòng)，進(jìn)行閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。HQ2F-D6.5氣動(dòng)執行機構全行程6.5mm，全行程時(shí)向上拉力1.27kN，質(zhì)量60kg，此型氣動(dòng)執行機構用于控制核電站現場(chǎng)中定義關(guān)狀態(tài)為安全狀態(tài)的閥門(mén)。

1.支架部件 2.行程部件 3.下殼體 4.膜片部件及推力軸 5.中殼體 6.氣路部件 7.上殼體 8.碟簧 9.手動(dòng)部件

圖1 HQ2F-D6.5氣動(dòng)執行機構

3、分析方法

　　以HQ2F-D6.5氣動(dòng)執行機構為例進(jìn)行抗震研究(圖2)。首先確定氣動(dòng)執行機構的固有頻率，然后根據IEEEStd344進(jìn)行分析。如果最小固有頻率低于要求反應譜(RRS)最高頻率(其最高頻率為60Hz，最高加速度為9g)，則設備為柔性設備，可使用動(dòng)態(tài)分析法進(jìn)行分析。反之則為剛性設備，可使用靜態(tài)分析法進(jìn)行分析。

圖2 氣動(dòng)執行機構設計流程

4、模型前處理

4.1、模型簡(jiǎn)化

　　對氣動(dòng)執行機構進(jìn)行抗震計算時(shí)，由于其形狀復雜，組合部件多，約束種類(lèi)多，如果對所有零件進(jìn)行分析，存儲量和計算量往往會(huì )成為瓶頸，因此進(jìn)行合理的模型簡(jiǎn)化和質(zhì)量轉移。

　　氣路部件形狀復雜，不易分析，因此忽略氣路部件的剛度，在其質(zhì)心處建立質(zhì)量點(diǎn)，并通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)化支撐板與上、下殼體連接，模擬氣路部件對殼體零件的影響，并通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)的位移考核連接管道的強度。手動(dòng)部件、碟簧、膜片部件及推力軸自身受地震載荷的影響較小，因此建立簡(jiǎn)化軸與上下殼體配合，將手動(dòng)部件、碟簧、膜片部件及推力軸的質(zhì)量施加在其上，模擬這些部件對殼體零件的綜合影響。行程部件安裝位置低，自身質(zhì)量輕，連接緊固，受地震載荷影響較小，因此將行程部件質(zhì)量轉移至支架上，模擬其對支架的影響。

　　經(jīng)過(guò)分析，簡(jiǎn)化模型由上殼體、中殼體、下殼體、連接螺栓、支架、簡(jiǎn)化支撐板和簡(jiǎn)化軸等組成，總質(zhì)量不變(表1)。坐標系原點(diǎn)處于執行機構簡(jiǎn)化前重心處，Z軸為殼體安裝面的法向方向，Y軸為上殼體加強筋平面的法向方向(圖3)。

圖3 HQ2F-D6.5簡(jiǎn)化模型

表1 材料性能

4.2、定義約束

　　對質(zhì)量點(diǎn)與簡(jiǎn)化支架的端面節點(diǎn)定義約束方程，使其剛性連接。氣路部件上的質(zhì)量載荷通過(guò)約束方程傳遞到簡(jiǎn)化支架上。

　　因執行機構受到的重力和工作載荷方向均為Z向，地震載荷亦是沿三個(gè)正交方向，且螺栓預緊力又使得殼體之間緊密相連，不會(huì )產(chǎn)生滑移。在殼體接觸面上定義多點(diǎn)耦合，僅保留Z向自由度，并定義標準摩擦接觸，防止發(fā)生穿透現象，摩擦系數取0.15。

　　簡(jiǎn)化軸與上殼體和下殼體之間沒(méi)有較大的載荷傳遞，并且接觸面緊密配合，因此采用標準摩擦接觸方式對其進(jìn)行定義，摩擦系數取0.15。

　　連接螺栓主要承受拉力的作用，因此將螺栓頭部與殼體接觸面采用綁定接觸方式進(jìn)行定義，這樣定義可能會(huì )使螺栓的接觸節點(diǎn)及殼體的接觸節點(diǎn)出現應力集中現象，是一種保守的定義方式。連接螺栓與簡(jiǎn)化支撐板之間接觸面進(jìn)行相同的定義。

　　支架通過(guò)4個(gè)螺栓與下殼體連接，其對模型起支撐作用。螺栓與下殼體接觸面采用重合位置節點(diǎn)耦合的方式進(jìn)行定義，約束所有自由度，螺栓與支架接觸面采用綁定接觸，為防止發(fā)生穿透現象，支架與下殼體接觸面采用標準摩擦接觸，摩擦系數取0.15。在支架底側定義位移約束。

4.3、網(wǎng)格劃分

　　對分析模型劃分網(wǎng)格(圖4)。分析模型由294851個(gè)四面體單元、66190個(gè)節點(diǎn)、1個(gè)集中質(zhì)量單元、13對接觸面、2對多點(diǎn)約束面、1個(gè)位移約束面組成。

圖4 有限元分析模型

5、抗震分析

　　運用Block-Lanzos方法對有限元模型進(jìn)行模態(tài)計算，得到模型前4階的固有頻率為79Hz、87Hz、113Hz和266Hz。因模型的最低固有頻率>60Hz，采用靜態(tài)分析法對氣動(dòng)執行機構模型進(jìn)行抗震計算。

5.1、施加載荷

　　靜態(tài)分析法是用簡(jiǎn)單的方法加上一定的保守因子對模型進(jìn)行分析。由經(jīng)驗確定取靜態(tài)系數為1.5，以考慮多頻激勵和多振型響應對線(xiàn)性框架型構筑物的影響。地震對每一個(gè)設備部件的作用力通過(guò)質(zhì)量值乘以要求反應譜的最大峰值再乘以靜態(tài)系數獲得。

　　在坐標系原點(diǎn)上施加地震載荷，模擬抗震試驗過(guò)程中設備重心處試驗反應譜包絡(luò )要求反應譜。因為要求反應譜(RRS)最高加速度為9g，施加的地震載荷為9g×1.5=13.5g，同時(shí)施加重力g。模型自身氣源壓力為0.4MPa，作用在中殼體及下殼體內部底面。碟簧力為11300N，作用在上殼體內部頂面。

5.2、抗震分析

　　分析得到HQ2F-D6.5模型的最大位移為0.707mm，其中氣路部件質(zhì)點(diǎn)的位移為0.5mm，位移量小，不會(huì )對連接管道造成破壞。殼體零件的法蘭邊與殼身的連接圓角處應力相對較大，支架及連接螺栓等零件應力符合要求。

5.3、結果評定

　　安全停堆地震載荷為D級使用載荷，氣動(dòng)裝置作為核1級設備應滿(mǎn)足事故載荷后可運行性的要求，即O級準則。材料在O級準則下的應力限值見(jiàn)表2。

表2 材料應力限值

　　對各個(gè)零件分析得到的最大剪切應力與材料應力限值進(jìn)行比較，得到殼體零件、支架和連接螺栓的評定結果(表3)。

表3 分析結果評定

5.4、結構優(yōu)化

　　根據殼體零件的分析結果，對法蘭邊與殼身的連接圓角處應力相對較大部位進(jìn)行優(yōu)化設計，增加一個(gè)過(guò)渡臺階，提高了殼體的強度，使殼體整體受力更均勻(圖5)。

圖5 殼體零件

6、結語(yǔ)

　　HQ2F-D6.5型氣動(dòng)執行機構采用最?lèi)毫拥墓�況、最不利的載荷組合進(jìn)行抗震分析，計算各個(gè)重要部件的應力，然后根據ASME規范進(jìn)行嚴格的評定。經(jīng)過(guò)分析表明，氣動(dòng)執行機構自振頻率遠高于核電標準要求的33Hz，氣動(dòng)執行機構殼體在地震載荷、重力和工作載荷的綜合作用下產(chǎn)生的薄膜應力、薄膜加彎曲應力在許用值范圍內，氣動(dòng)執行機構殼體間的連接螺栓滿(mǎn)足強度要求，分析應力在許用應力范圍內，殼體法蘭邊與殼身的連接圓角處進(jìn)行結構優(yōu)化后應力分布更加均勻。HQ2F-D6.5型氣動(dòng)執行機構滿(mǎn)足ASME關(guān)于核1級設備的應力要求，可制作樣機進(jìn)行抗震試驗。