阀门核级气动执行机构抗震分析

1、概述

　　核电站现场使用的阀门气动执行机构必须按照核电相关标准和规则进行鉴定试验，全部鉴定试验项目通过后，方被认定为核级产品，允许投入核电站运行。抗震试验是重要的鉴定试验项目，目的在于考核核级产品在设计基准地震事故和安全停堆地震事故时及事故后仍能保持结构完整，并能够执行安全功能。为提高产品抗震试验的成功率，有效降低开发成本，在产品设计阶段，对所设计的气动执行机构进行模态分析和抗震分析，了解其结构上的薄弱环节，进而采取相应的优化改进措施非常必要。

2、工作原理

　　HQ2F-D6.5是双膜片气动执行机构，主要由壳体、手动部件、气路部件(包括电磁阀、减压阀)、膜片部件、推力轴、碟簧、支架部件和行程部件等组成(图1)。通电时，电磁阀动作，压缩气通过减压阀进入气动执行机构腔内，气压通过膜片向上压缩碟簧，带动推力轴向上运动，使阀门开启，并通过行程开关输出阀门开启到位信号。断电时，电磁阀复位，腔内气压消失，碟簧依靠自身弹力带动推力轴向下运动，使阀门关闭，并通过行程开关输出阀门关闭到位信号。另外，也可以通过旋转手轮压缩碟簧，控制推力轴上下运动，进行阀门的开启与关闭。HQ2F-D6.5气动执行机构全行程6.5mm，全行程时向上拉力1.27kN，质量60kg，此型气动执行机构用于控制核电站现场中定义关状态为安全状态的阀门。

1.支架部件 2.行程部件 3.下壳体 4.膜片部件及推力轴 5.中壳体 6.气路部件 7.上壳体 8.碟簧 9.手动部件

图1 HQ2F-D6.5气动执行机构

3、分析方法

　　以HQ2F-D6.5气动执行机构为例进行抗震研究(图2)。首先确定气动执行机构的固有频率，然后根据IEEEStd344进行分析。如果最小固有频率低于要求反应谱(RRS)最高频率(其最高频率为60Hz，最高加速度为9g)，则设备为柔性设备，可使用动态分析法进行分析。反之则为刚性设备，可使用静态分析法进行分析。

图2 气动执行机构设计流程

4、模型前处理

4.1、模型简化

　　对气动执行机构进行抗震计算时，由于其形状复杂，组合部件多，约束种类多，如果对所有零件进行分析，存储量和计算量往往会成为瓶颈，因此进行合理的模型简化和质量转移。

　　气路部件形状复杂，不易分析，因此忽略气路部件的刚度，在其质心处建立质量点，并通过两个简化支撑板与上、下壳体连接，模拟气路部件对壳体零件的影响，并通过质量点的位移考核连接管道的强度。手动部件、碟簧、膜片部件及推力轴自身受地震载荷的影响较小，因此建立简化轴与上下壳体配合，将手动部件、碟簧、膜片部件及推力轴的质量施加在其上，模拟这些部件对壳体零件的综合影响。行程部件安装位置低，自身质量轻，连接紧固，受地震载荷影响较小，因此将行程部件质量转移至支架上，模拟其对支架的影响。

　　经过分析，简化模型由上壳体、中壳体、下壳体、连接螺栓、支架、简化支撑板和简化轴等组成，总质量不变(表1)。坐标系原点处于执行机构简化前重心处，Z轴为壳体安装面的法向方向，Y轴为上壳体加强筋平面的法向方向(图3)。

图3 HQ2F-D6.5简化模型

表1 材料性能

4.2、定义约束

　　对质量点与简化支架的端面节点定义约束方程，使其刚性连接。气路部件上的质量载荷通过约束方程传递到简化支架上。

　　因执行机构受到的重力和工作载荷方向均为Z向，地震载荷亦是沿三个正交方向，且螺栓预紧力又使得壳体之间紧密相连，不会产生滑移。在壳体接触面上定义多点耦合，仅保留Z向自由度，并定义标准摩擦接触，防止发生穿透现象，摩擦系数取0.15。

　　简化轴与上壳体和下壳体之间没有较大的载荷传递，并且接触面紧密配合，因此采用标准摩擦接触方式对其进行定义，摩擦系数取0.15。

　　连接螺栓主要承受拉力的作用，因此将螺栓头部与壳体接触面采用绑定接触方式进行定义，这样定义可能会使螺栓的接触节点及壳体的接触节点出现应力集中现象，是一种保守的定义方式。连接螺栓与简化支撑板之间接触面进行相同的定义。

　　支架通过4个螺栓与下壳体连接，其对模型起支撑作用。螺栓与下壳体接触面采用重合位置节点耦合的方式进行定义，约束所有自由度，螺栓与支架接触面采用绑定接触，为防止发生穿透现象，支架与下壳体接触面采用标准摩擦接触，摩擦系数取0.15。在支架底侧定义位移约束。

4.3、网格划分

　　对分析模型划分网格(图4)。分析模型由294851个四面体单元、66190个节点、1个集中质量单元、13对接触面、2对多点约束面、1个位移约束面组成。

图4 有限元分析模型

5、抗震分析

　　运用Block-Lanzos方法对有限元模型进行模态计算，得到模型前4阶的固有频率为79Hz、87Hz、113Hz和266Hz。因模型的最低固有频率>60Hz，采用静态分析法对气动执行机构模型进行抗震计算。

5.1、施加载荷

　　静态分析法是用简单的方法加上一定的保守因子对模型进行分析。由经验确定取静态系数为1.5，以考虑多频激励和多振型响应对线性框架型构筑物的影响。地震对每一个设备部件的作用力通过质量值乘以要求反应谱的最大峰值再乘以静态系数获得。

　　在坐标系原点上施加地震载荷，模拟抗震试验过程中设备重心处试验反应谱包络要求反应谱。因为要求反应谱(RRS)最高加速度为9g，施加的地震载荷为9g×1.5=13.5g，同时施加重力g。模型自身气源压力为0.4MPa，作用在中壳体及下壳体内部底面。碟簧力为11300N，作用在上壳体内部顶面。

5.2、抗震分析

　　分析得到HQ2F-D6.5模型的最大位移为0.707mm，其中气路部件质点的位移为0.5mm，位移量小，不会对连接管道造成破坏。壳体零件的法兰边与壳身的连接圆角处应力相对较大，支架及连接螺栓等零件应力符合要求。

5.3、结果评定

　　安全停堆地震载荷为D级使用载荷，气动装置作为核1级设备应满足事故载荷后可运行性的要求，即O级准则。材料在O级准则下的应力限值见表2。

表2 材料应力限值

　　对各个零件分析得到的最大剪切应力与材料应力限值进行比较，得到壳体零件、支架和连接螺栓的评定结果(表3)。

表3 分析结果评定

5.4、结构优化

　　根据壳体零件的分析结果，对法兰边与壳身的连接圆角处应力相对较大部位进行优化设计，增加一个过渡台阶，提高了壳体的强度，使壳体整体受力更均匀(图5)。

图5 壳体零件

6、结语

　　HQ2F-D6.5型气动执行机构采用最恶劣的工况、最不利的载荷组合进行抗震分析，计算各个重要部件的应力，然后根据ASME规范进行严格的评定。经过分析表明，气动执行机构自振频率远高于核电标准要求的33Hz，气动执行机构壳体在地震载荷、重力和工作载荷的综合作用下产生的薄膜应力、薄膜加弯曲应力在许用值范围内，气动执行机构壳体间的连接螺栓满足强度要求，分析应力在许用应力范围内，壳体法兰边与壳身的连接圆角处进行结构优化后应力分布更加均匀。HQ2F-D6.5型气动执行机构满足ASME关于核1级设备的应力要求，可制作样机进行抗震试验。