核二級手動(dòng)截止閥的抗震分析

1、概述

　　在核電站各系統中，承擔、支持核電廠(chǎng)基本安全功能或具有防止、緩解事故功能的閥門(mén)被定為核安全級閥門(mén)。根據國家核安全法規，核安全級閥門(mén)在抗震分類(lèi)中均應列為抗震Ⅰ類(lèi)，采用SL-2 地震載荷( 極限安全地震載荷) 進(jìn)行設計和論證。

　　在核級閥門(mén)抗震設計過(guò)程中，需要對地震載荷下閥門(mén)結構進(jìn)行詳細的應力分析和評價(jià)，校核其壓力邊界的完整性。一般采用的根據規范中的標準算法、圖表和經(jīng)驗公式進(jìn)行估算的方法不能滿(mǎn)足這一要求，必須采用結構力學(xué)分析的方法，比如核級設備設計中已廣泛應用的有限元分析法( FEA) 。本文根據ASME Ⅲ NC 卷中有關(guān)分析法設計的準則，采用有限元分析法對核二級手動(dòng)截止閥進(jìn)行地震載荷下的結構力學(xué)分析計算。

2、結構參數

　　核級手動(dòng)截止閥由閥體、閥體連接件、閥蓋、閥桿組件、填料、傳動(dòng)桿及手輪等組成( 圖1) 。閥門(mén)進(jìn)口直接與高壓管道焊接，閥門(mén)出口通過(guò)螺紋接頭連接下游管道。由于閥門(mén)規格尺寸較小，直接通過(guò)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(dòng)桿6. 填料7. 手輪

圖1 核級手動(dòng)截止閥

　　閥門(mén)主要設計參數安全等級核二級，公稱(chēng)通徑( mm) 10；設計壓力( MPa) 18；設計溫度( ℃) 350；主要材料A182 F321；質(zhì)量( kg) 2. 45；外形尺寸( mm) 140 × 60 × 200

3、載荷組合及評定準則

　　分析中所考慮的載荷主要包括內壓、自重接管載荷和地震載荷。

　　(1) 內壓

　　內壓作用于閥體、閥體連接件和閥蓋內表面上。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壓對閥桿產(chǎn)生的力載荷。

　　(2) 自重

　　閥內的介質(zhì)和附加結構的質(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

　　分為運行基準地震(OBE) 和安全停堆地震(SSE) 。對于安裝在管道上的閥門(mén)，SSE 加速度反應譜的峰值加速度為4.5g，OBE 取SSE 的1 /2。根據ASME 規范，應對上述載荷按設計載荷和A、B、C、D 四級使用載荷進(jìn)行載荷組合后開(kāi)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。

表1 載荷組合

　　對于安全二級閥門(mén)，根據文獻表NC-3521-1，各使用載荷對應的應力評定準則如表2 所示。

表2 應力評定準則

　　根據文獻D 篇表1A，閥門(mén)主體材料在設計溫度下的許用應力值為S = 121MPa。

4、模型建立

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

圖2 閥門(mén)的幾何模型

　　閥內的介質(zhì)和附加結構的質(zhì)量采用等效密度的方式附加到對應的殼體上，閥體、閥蓋和閥體連接件之間采用設置接觸對的方式連接起來(lái)。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 節點(diǎn)四面體單元建立，包含39 562 個(gè)單元，69 070 個(gè)節點(diǎn)( 圖3) 。

圖3 閥門(mén)的有限元模型

5、應力分析及評定

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

　　在設計工況下，根據表1 中的設計載荷組合進(jìn)行加載，經(jīng)過(guò)靜力分析計算得到閥門(mén)的主應力云圖( 圖4) 。在閥體內壁根部的應力達到最大，最大主應力為112.02MPa。

圖4 設計工況下閥門(mén)主應力云圖

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

圖5 設計工況應力線(xiàn)性化分布曲線(xiàn)

　　采用與設計工況同樣的分析方法，可得到事故工況下D 級使用載荷計算結果，最大主應力為97.797MPa，主應力最大節點(diǎn)處σm = 23.116MPa

6、結語(yǔ)

　　根據規范要求，采用三維有限元分析軟件對核二級手動(dòng)截止閥進(jìn)行了各工況下的結構力學(xué)分析，并按照ASME Ⅲ NC 分卷有關(guān)準則進(jìn)行評定，可以得出，在包括地震在內的各種載荷作用下，閥門(mén)主要部件的結構強度能夠保證壓力邊界的完整性。