无风管防火阀抗震分析

　　防火阀是在核电站正常运行、停堆和各种事故工况下，用于火灾的隔离控制、封闭通风管道的重要设备之一。本文采用有限元法对无风管防火阀进行模态分析、应力评定以及变形校核，结果表明该设备在包络载荷下，能满足抗震分析的结构完整性要求。

一、引言

　　防火阀是核电站通风系统中的一个重要设备，其功能是当核电站发生火灾时，及时切断通风管路，隔离发生火灾的房间，防止放射性物质向外扩散。国内许多学者都对防火阀做过研究，本文结合相关抗震分析经验，选取抗震等级要求Ⅱ级的某无风管防火阀进行抗震分析，利用Ansys有限元软件对该防火阀进行模态计算和应力分析，并根据ASMEBPVC-IIIND应力准则对防火阀在地震载荷下的结构完整性进行判定。

二、有限元模型

　　此无风管防火阀主要由阀本体、套筒组成，其中阀本体尺寸为201*201*320mm，主要由外框、轴支撑架、轴和叶片组成;套筒的尺寸为203*203*450mm。

　　采用ANSYSsolid186实体单元对无风管防火阀进行建模，单元总数为56014。在对阀进行模态计算和应力分析时，分析的是阀门叶片关闭的状态，有限元模型如图1所示。

　　由于此防火阀完全在墙体中，所以约束条件是将防火阀与墙体的接触面约束住。包络工况下的载荷包括(1)设计内压：无风管防火阀关闭压力为1000Pa，阀突然关闭时，叶片压差2000Pa。(2)自重：阀自重方向竖直向下，加速度1g，以惯性力的形式加载。

图1 防火阀有限元分析模型

　　(3)SSE地震载荷：X方向地震加速度：±28.665m/s2;Y方向地震加速度：±33.810m/s2;Z方向地震加速度：±31.605m/s2。(4)风载：无风管防火阀额定风速v=10.2m/s，风压为P=v2/1630=64Pa。

三、抗震分析结果

3.1、模态分析结果

　　防火阀的前五阶固有频率计算结果见表1，防火阀完全在墙体中，其振动频率非常大，由表3可以看出一阶固有频率大小值为1499Hz，远大于33Hz，可以采用等效静力法分析地震的影响。

表1 防火阀的前5阶振动频率

3.2、应力分析结果

　　防火阀在自重、设计内压、风压、SSE地震载荷等(即包络工况)同时作用下第1主应力的最大值1.517MPa，在阀叶片和挡板的交界面上。

　　防火阀各个部件应力大小及安全校核如表2所示，从表中可以看出防火阀各部件应力都小于材料的许用应力，强度足够。

　　表2 阀各主要部件最大第一主应力及安全校核

3.3、变形分析结果

　　按照ASMEAG-1规范在A级和B级工况下，框架在任何方向上得挠度不应该超过跨度的1/360或者3.175mm中的较小值，防火阀三个方向上的变形校核如下：

四、结论

　　通过有限元法对无风管防火阀进行抗震分析，可以直观全面的了解阀的应力及变形分布情况，本文对该无风管防火阀的抗震分析结果表明，在包络工况载荷下，阀能保持其结构完整性要求，满足了抗震等级Ⅱ级的标准。防火阀第一阶固有频率为1499Hz，大于33Hz;防火阀框架结构、叶片、套筒、轴等的应力值均小于材料的许用应力，强度足够;防火阀三个方向的变形都满足ASMEAG-1规范。