核級全封閉電動(dòng)閘閥抗震力學(xué)分析

　　應用SolidWorks Simulation 2011 有限元分析軟件，分析了核級全封閉電動(dòng)閘閥的抗震性能。提取了閥體和閥蓋相關(guān)支撐線(xiàn)段上的應力進(jìn)行評估，證明了閥門(mén)壓力邊界的完整性和功能完好性。

1、概述

　　艇用全封閉電動(dòng)閘閥是核動(dòng)力裝置回路系統的重要裝置，是保證反應堆一回路系統及其相連管道安全的關(guān)鍵設備，屬核安全一級設備�？拐鹆�學(xué)分析的目的是考核電動(dòng)閘閥在地震載荷作用時(shí)的性能指標，以驗證其在規定的地震載荷作用下的壓力邊界完整性和功能完好性。

2、材料力學(xué)性能及載荷組合

　　電動(dòng)閘閥的主體由閥體、閥蓋、閘板和屏蔽式電傳動(dòng)裝置等組成，其中閥體和閥蓋由雙頭螺柱連接成為一個(gè)整體，屏蔽電傳動(dòng)裝置和閥蓋由雙頭螺柱連接成為一個(gè)整體，內部有閘板和閥桿等部件。

　　2.1、力學(xué)性能

　　閥門(mén)主體材料及雙頭螺柱材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。材料的許用應力強度應為室溫下規定最小抗拉強度Rm的1/3、工作溫度下抗拉強度Su的1/3、室溫下規定最小屈服強度Re的2/3 或工作溫度下屈服強度Sy的90%中的最小值。

表1 閥門(mén)主體材料及主要連接螺栓的力學(xué)性能MPa

　　2.2、載荷組合

　　根據NB /T 20010.10 -2010、GB 50276 -1997、GJB 8431A - 2005 及RCC - M 第二冊B 篇的相關(guān)規定，對1A 級閥門(mén)進(jìn)行抗震分析和力學(xué)計算。為保證閥門(mén)在工作條件下的安全性、可靠性及壓力邊界的完整性，地震條件下的力計算采用比較保守計算方法，按O 級及A 級準則進(jìn)行評價(jià)( 表2) ，即1. 2 ×設計內壓+ 管道反作用力+ SL2 地震引起的作用。

3、力學(xué)分析計算

　　在力學(xué)計算過(guò)程中，重點(diǎn)針對閥門(mén)的承壓邊界部分進(jìn)行計算。通過(guò)對全封閉電動(dòng)閘閥的主體，包括閥體、閥蓋和全封閉電傳動(dòng)裝置進(jìn)行整體有限元應力計算，求得閥門(mén)主體的應力分布。

　　3.1、整體模態(tài)分析

　　有限元分析使用的前處理軟件為SolidWorks 2011，計算及后處理軟件為SolidWorks Simulation 2011，取實(shí)際結構的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分( 圖1) 。其中屏蔽式電傳動(dòng)裝置視為外伸機構，力學(xué)分析過(guò)程中簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)載荷。模態(tài)分析求解結果顯示，閥門(mén)整體結構的基頻為38.749Hz，第二階頻率為89.33Hz ( 圖2) ，閥門(mén)整機包括外伸結構的最低自振頻率大于33Hz，其抗震分析可采用準靜力法。

圖1 閥門(mén)整體的有限元模型

圖2 閥門(mén)陣型

　　3.2、地震條件下的力學(xué)計算

　　地震條件下，閥門(mén)除了承受正常運行的各種載荷外，還要承受地震加速度所引起的慣性力。模型中的載荷包括運行壓力(P = 1.2 × 設計壓力) 、管道反作用力、自重和地震加速度(分別為4.5g) ，進(jìn)行有限元計算后，得到閥門(mén)的Tresca 應力分布( 圖3) 。根據承壓邊界一次應力和二次應力的分類(lèi)原則，由應力云圖顯示的應力分布結果，并結合應力線(xiàn)性化曲線(xiàn)圖( 圖4、圖5) ，分別對閥蓋、閥體進(jìn)行評價(jià)。閥蓋的總體一次薄膜應力限值不超過(guò)50MPa，一次薄膜加彎曲應力強度不超過(guò)65MPa。閥體有兩個(gè)位置需要評價(jià)。第1 個(gè)位置為閥體中腔處，此處的總體一次薄膜應力極限值不超過(guò)85MPa，一次薄膜加彎曲應力強度不超過(guò)132MPa。第2 個(gè)位置為整體結構不連續區附近，閥體閥徑處有應力集中現象，此處的一次應力為85MPa，一次加二次應力為144MPa。

圖3 地震條件下閥門(mén)的Tresca 應力分布

表2 載荷組合及準則級別

4、功能分析

　　通過(guò)對閥門(mén)整體應變(圖6) 和主體應力評價(jià)(表2) 分析，閥門(mén)在地震載荷下的整體變形量很小，不影響其功能。

圖4 閥體支撐線(xiàn)段上應力線(xiàn)性化曲線(xiàn)

圖5 閥蓋支撐線(xiàn)段上應力線(xiàn)性化曲線(xiàn)

圖6 閥門(mén)應變圖

表3 閥門(mén)主體應力評價(jià)

5、結語(yǔ)

　　依據相關(guān)標準對核級全封閉電動(dòng)閘閥進(jìn)行的抗震分析和評估結果表明，閥門(mén)的壓力邊界功能完好，整體變形小，為后期的設計及優(yōu)化提供了可靠的依據。