核一級電動(dòng)閘閥抗震分析

　　基于有限元分析和經(jīng)驗公式相結合的方法，計算核一級電動(dòng)閘閥整機的振動(dòng)模態(tài)以及在承受地震載荷及設計組合載荷共同作用下的應力及變形。根據ASME規范對承壓邊界部件作出應力評定和強度校核。

1、概述

　　核電站中需要用到大量的閥門(mén)，其中有相當數量的閥門(mén)定為核級閥門(mén)。核級閥門(mén)在設計、制造和檢驗等各個(gè)環(huán)節上的要求均高于普通閥門(mén)。核級閥門(mén)為核電站中重要的安全設備，必須能承受核電廠(chǎng)壽命期內的使用載荷和地震載荷，并能保持壓力邊界完整和不喪失功能，因此在設計核安全級閥門(mén)樣機時(shí)必須要進(jìn)行應力計算和抗震分析。目前，核級閥門(mén)的抗震分析一般采用計算機軟件計算和經(jīng)驗公式計算相結合的方法。本文以核一級電動(dòng)閘閥為例，驗證閥門(mén)在安全停堆地震(SSE) 載荷及設計組合載荷作用下的結構完整性。分析中應用簡(jiǎn)化的有限元桿多質(zhì)量點(diǎn)- 梁模型計算閥門(mén)整機的振動(dòng)模態(tài)，以及在承受地震載荷及設計組合載荷共同作用下的應力及變形，然后根據ASME 規范進(jìn)行應力評定和強度校核。

2、分析評定方法

　　閥門(mén)的安全級別為核一級，抗震類(lèi)型為抗震I類(lèi)，閥門(mén)的主體材料為SA182M F316，支架由A276M-304 制成(圖1) 。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)根據閥門(mén)的結構特點(diǎn)、地震輸入和ASME 規范第III 卷NB-3500 的要求，確定對閥體、閥蓋組件及固定螺栓進(jìn)行抗震分析和評定�？拐鸱治鲋锌紤]的載荷包括內壓、自重、閥門(mén)操作載荷，接管載荷以及水平兩方向和垂直方向的地震慣性力。

圖1 核級電動(dòng)閘閥

　　2.1、閥體應力分析

　　根據NB-3500中的要求，需要校核內壓力引起的一次薄膜應力，滿(mǎn)足NB-3500 設計要求的閥門(mén)，在內壓下的閥門(mén)最高應力區是在閥門(mén)拐角處�？梢园凑誘resca 方程計算得到閥門(mén)拐角處的一次膜應力Pm。除一次薄膜應力以外，還需要校核閥門(mén)二次應力Sn。

　　NB -3500 進(jìn)一步要求核一級閥門(mén)的閥體能完成2000次的正常開(kāi)啟和關(guān)閉循環(huán)，并要求閥門(mén)在循環(huán)載荷下合格。

　　2.2、閥蓋應力分析

　　閥蓋屬于承壓部件，可采用ASME 規范第III卷附錄XI 3200 的法蘭分析方法進(jìn)行計算。根據NB-3500 的要求，如果閥體- 閥蓋采用螺栓連接，采用XI-3000 的方法進(jìn)行設計和評定。

3、評定結果

　　3.1、ANSYS模型圖

　　將閥體、閥蓋、支架、直流電動(dòng)裝置及其他零件簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量- 梁模型，采用多質(zhì)量點(diǎn)- 梁模型進(jìn)行閥門(mén)抗震分析(圖2) 。由ANSYS 程序得到該閥門(mén)最低頻率f = 60.9Hz。

圖2 閘閥頻率分析模型

　　3.2、閥體評定

　　閥體薄弱截面為A-A 截面和C-C 截面(圖3) ，作用載荷為內壓、閥體及其各零件的自重、閥門(mén)操作載荷和SSE 慣性力，依據ASME - BPVC 第III卷，第1冊，NB分卷，NB 3500 進(jìn)行應力評定(表1，表2) 。

圖3 閥體A - A 截面和C - C 截面

表1 閥體拐角區應力分析結果

表2 C - C 截面應力分析結果

　　由于A(yíng) - A 截面的壁厚遠大于配管的壁厚，可以認為，閥體的A - A 截面足以承受配管對閥體的作用載荷( 包括地震載荷) ，不需再作評定。根據NB - 3500 計算得到該閥門(mén)的疲勞壽命等于5 × 10⁴次大于2000 次，滿(mǎn)足設計要求。

　　3.3、閥蓋評定

　　閥蓋材料SA - 182M F316。閥蓋采用ASME -BPVC 規范，第III 卷，附錄XI3200 的法蘭分析方法進(jìn)行計算評定( 表3) 。

表3 閥蓋應力分析結果

　　3.4、螺栓評定

　　閥蓋與閥體連接螺栓材料為SA - 453M 660 -B。螺栓為承壓螺栓，計算考慮內壓、自重、地震力和閥門(mén)動(dòng)作作用力，按法蘭螺栓的計算方法進(jìn)行評定( 表4，表5) 。

表4 閥體與閥蓋連接螺栓參數

4、結語(yǔ)

　　核級電動(dòng)閘閥抗震分析時(shí)采用最?lèi)毫拥墓�況、最不利的載荷組合，計算閥門(mén)設備的各重要承壓部件的應力，然后利用最嚴格的應力限值( 評定準則)進(jìn)行評定。

　　(1) 閥門(mén)自振頻率高于33Hz，可近似認為是剛性結構，具有良好的抗震性能。

　　(2) 承壓邊界閥體和閥蓋在各種規定載荷綜合作用下產(chǎn)生的薄膜應力σm、薄膜加彎曲應力σm +σb都在許用值范圍內，滿(mǎn)足強度要求。

　　(3) 法蘭及其連接螺栓的各類(lèi)應力均在要求的限值內，能保持結構邊界的連接。

　　因此，在內壓、自重、閥門(mén)操作載荷以及水平兩方向和垂直方向的地震慣性力的聯(lián)合作用下，該閥門(mén)能保持結構的完整性。