核級閥門(mén)強度計算方法的研究

　　介紹了采用經(jīng)驗公式和有限元仿真分析的計算方法，并對某核一級閘閥進(jìn)行了強度計算。對比分析了兩種方法得出的計算結果，驗證了仿真分析計算結果的準確性。

1、概述

　　在核級閥門(mén)的設計計算中，需要遵守ASME、RCCM等法規。ASME ⅢNB分卷提供了詳細的核級閥門(mén)的強度計算公式，如果按照全部公式(NB-3500) 進(jìn)行計算并且計算合格，其閥門(mén)的設計結果是可以被接受的。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，使用有限元應力分析的方法對閥門(mén)強度進(jìn)行計算成為一種新的計算方法。本文以某核一級閘閥為例，分別使用兩種計算方法進(jìn)行計算，同時(shí)對計算結果進(jìn)行對比分析。

2、仿真分析

　　將閘閥全部零件進(jìn)行立體建模，并確定每個(gè)零件的密度以得到閥門(mén)的精確質(zhì)量。在進(jìn)行應力分析時(shí)，如果在閥體的一端施加固定約束，而端部應力得不到有效釋放，將在閥體端面位置產(chǎn)生應力奇異，最大應力可達2000MPa，這顯然與現實(shí)情況相違背。根據相關(guān)經(jīng)驗及規定，可以在閥體進(jìn)口處增加一過(guò)渡管(過(guò)渡管長(cháng)度為入口管徑的2～5倍)，在過(guò)渡管入口施加固定約束，使應力奇異發(fā)生在管道入口。而評價(jià)分析結論時(shí)，只考核閥門(mén)的受力情況，忽略過(guò)渡管入口上出現的誤導結論。這樣可以真實(shí)模擬閥體的受力情況，得出相對準確的應力分析值。在A(yíng)SME 法規中，著(zhù)重關(guān)注閥門(mén)承壓邊界的受力情況。因此，只取閥體、閥蓋和過(guò)渡管組成的裝配體為研究對象( 圖1)。在閥體右側的中腔與支管交界位置，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)根據經(jīng)驗劃分出3條閥體的應力評定線(xiàn)。同時(shí)將模型轉化到ANSYSWorkbench軟件中。

圖1 建立閥門(mén)應力分析模型

　　在A(yíng)NSYS軟件中，對閥體、閥蓋、過(guò)渡管賦予材料屬性，對支架、過(guò)渡頭和執行機構等省略掉的零件以一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)代替，并選擇閥體與閥蓋相接觸的表面作為支撐質(zhì)量點(diǎn)位置的平面。分別選取過(guò)渡管與閥體、閥體與閥蓋相接觸的表面為零件間的接觸面，選擇約束類(lèi)型為bonded綁定約束。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗證。設定熱應力分析參數，選擇過(guò)渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接觸的表面設定設計溫度，選擇閥體的外表面確定對流換熱系數。

　　選擇過(guò)渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接處的內腔表面設定介質(zhì)壓力，選擇過(guò)渡管左端面確定閥門(mén)的固定約束載荷，選擇被拋開(kāi)的過(guò)渡管、閥體和閥蓋的中截面添加閥門(mén)對稱(chēng)約束。在結構分析選項中輸入Z軸方向重力加速度9806.6mm/s2 ，在X、Y軸輸入OBE和SSE等效重力加速度的地震載荷，用于考慮B、D等工況下的地震載荷輸入。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸方向分別輸入技術(shù)規格書(shū)要求的管道反作用力和扭矩。計算得出應力評定線(xiàn)上的薄膜應力和薄膜加彎曲應力(表1)。

表1 設計工況計算結果

　　按照ASME法規的要求，需要按照技術(shù)規格書(shū)指定的設計、A、B、C 及D試驗等工況分別進(jìn)行設計校核。而使用ANSYS軟件進(jìn)行分析的過(guò)程是相同的，只是輸入的參數、考核的項目不同而已。因此，本文省略掉其余工況的計算過(guò)程。

3、經(jīng)驗公式計算

　　在內壓下，閥體的最高應力區是在頸部與流道的連接處，其特征是垂直于中心線(xiàn)平面的周向拉力的最大值在內表面。下面使用詳細的計算公式來(lái)控制這個(gè)拐角區的總體一次薄膜應力和彎曲應力。

　　(1)內壓引起的一次薄膜應力

(1)

　　式中 Pm———總體一次薄膜應力強度，MPa

　　Af、Am———流道中心線(xiàn)的共同平面內拐角區流體面積，mm2

　　Ps———標準計算壓力( 依據NB-3545.1) ，MPa

　　經(jīng)計算，Pm =73.82MPa

圖2 壓力面積

　　(2)二次應力

　　由管道反作用力引起的二次應力應得到滿(mǎn)足，以保證閥體能安全傳遞由連接管道系統產(chǎn)生的力和力矩(圖3)。由管道反作用力引起的二次應力為

(2)

　　式中 Cb———由連接管道力矩引起的閥體二次彎曲應力指數

　　Fb———標準接管的彎曲模量，MPa

　　Gb———拐角區閥體截面彎曲模量，mm3

　　經(jīng)計算，Peb=39.07MPa<1.5×Sm2(Sm2=185.7MPa)，合格。

圖3 確定閥體二次應力的截面

4、結語(yǔ)

　　本文分別使用ANSYS軟件及ASME經(jīng)驗公式對某核一級閘閥進(jìn)行了仿真分析及經(jīng)驗公式計算。

　　由ANSYS軟件得出的閥體一次薄膜應力為69.193MPa，由經(jīng)驗公式計算得到一次薄膜應力為73.82MPa(誤差為6.27%) ，經(jīng)驗公式的計算結果驗證了仿真分析的準確性。由ANSYS軟件得出的薄膜加彎曲應力值為115.31MPa，由經(jīng)驗公式計算得到的薄膜加彎曲應力為 112.89MPa (誤差為2.14%)，證明了軟件分析計算結果的準確性。通 過(guò)對計算結果的對比分析可知，2種方法的計算誤 差都在合理范圍之內，兩種計算方法都是正確的。因此，在新閥門(mén)的研發(fā)計算中可以使用較簡(jiǎn)單的有限元仿真分析方法，而使用經(jīng)驗公式的計算方法作為對仿真分析方法的設計校核。