核安全级安全阀抗震应力分析与评定

　　介绍了安全阀抗震分析的一般步骤。利用ANSYS 软件计算了核安全级弹簧式安全阀在地震工况下的三维应力分布, 根据ASM E锅炉和压力容器规范进行了完整性评定。

1、概述

　　核安全级安全阀是核电站中重要的安全设备之一, 用以防止系统压力超过允许的极限, 确保系统安全运行。随着第三代核电站的建设, 对核安全级安全阀的设计和制造提出了更高要求。安全阀必须能够承受包括地震载荷在内的组合载荷, 并且不会发生破坏或失稳, 从而满足结构完整性和功能要求。随着计算机仿真技术的快速发展, 利用有限元软件构建阀门三维模型, 进行各种工况下的结构完整性分析技术已经日趋成熟, 并已经得到了广泛的应用。本文以某型号核安全二级弹簧式安全阀为例, 利用ANSYS 11.0软件进行了安全阀的模态频率计算和应力分析, 并根据ASME锅炉和压力容器规范对安全阀在地震工况下的结构完整性进行了应力评定。

2、分析方法

　　为了保证安全阀在使用期限内能够安全运行,必须进行抗震分析, 检验阀门各部位是否有足够的强度和刚度。一般考虑运行基准地震(Operating Basis Earthquake, OBE ) 和安全停堆地震( Safe Shutdown Earthquake, SSE) 两类地震载荷。

　　抗震分析一般可分为建立模型(合理简化安全阀结构部件, 建立能准确反映其动力特性的有限元模型) 、频率计算(计算安全阀的自振频率, 如果该阀门最低自振频率大于33Hz, 则在应力计算时可采用等效静力法。如果小于33Hz, 则必须采用动力法) 、应力计算(根据相关标准及阀门实际工况, 确定边界条件及载荷组合。利用有限元软件进行各种工况下安全阀的应力分析, 特别是关键(或危险) 位置处的应力分布) 和安全评定(对阀门关键部位的应力, 按照不同的使用等级进行应力分类和组合, 再按照对应的应力限值进行应力评定, 同时确定阀门是否满足最大变形限制) 4步。根据应力评定结果, 即可判断出该安全阀能否在地震工况下安全运行。

3、有限元模型

3.1、参数

　　安全阀的等级为核安全二级, 设计压力为4.0MPa, 二次侧设计压力为1.5MPa, 设计温度为200℃。阀体、阀座和阀盖材料均为SA - 182MF304, 螺栓材料为SA - 193M B7。根据ASMEBPVC IID分卷, 200℃下的两种材料的许用应力S分别为116MPa 和170MPa。材料弹性模量E =210GPa, 泊松比v = 0.3, 密度ρ= 7 800kg/m³。

3.2、建模

　　考虑到安全阀结构复杂, 为便于分析, 采取在ANSYS中直接建模的方式。阀体模型的建立除忽略不相关的微小几何特征(均在远离结构突变的区域) , 其他形状和尺寸均与设计图纸一致。

图1　安全阀三维有限元模型

　　考虑到阀体物理形状、材料、载荷等都具有对称性, 沿对称面截取一半有限元模型进行计算。这样做既可缩短分析求解时间, 提高运算速度, 又可将单元可划分更细, 计算结果更精确。

　　模型采用结构单元Solid95。使用ANSYS软件的智能网格划分( Smart Size) 工具, 根据阀体模型的形状和尺寸, 及所设置的精度级别, 自动选择合适的网格密度进行划分。一共划分了66 373个单元(图1) 。

　　螺母与法兰之间的相互作用采用面接触单元Conta174和Targe169 单元的接触对模拟, 忽略螺栓孔与螺栓之间、垫片与螺母之间的相互关系, 螺母与法兰之间的摩擦系数为0.3。螺栓的预紧力采用Prets179单元模拟, Ansys在已分网格的相应位置上建立预紧单元。

3.3、载荷及边界条件

　　根据安全阀的实际工作情况, 在进出口法兰处取固定边界约束, 在对称面上施加位移对称边界约束。抗震分析考虑的载荷主要包括内压、地震、自重、预紧力和接管载荷等。考虑SSE地震工况(即设计压力+二次侧压力+ SSE地震+自重+螺栓预紧力+接管载荷) , 则SSE地震加速度按照水平方向5g、垂直方向3.5g设置。求解时采取3个载荷步。第1步中施加预紧力, 计算预紧力单独作用下的结果作为初始状态。第二步锁定因预紧载荷引起的预紧节点位移, 并在以后的载荷步中保持不变, 这就真实地模拟了螺栓预紧后的情况。第三步施加各种载荷, 计算阀门应力分布。

4、应力分析及评定

4.1、频率分析

　　首先计算安全阀在两种不同约束条件下的自振频率。先考虑约束进口法兰情况下, 计算得到该安全阀第一阶自振频率为73.5Hz (图2a) 。与该阀进行抗震试验时所测的最低自振频率79.7Hz较接近, 验证了本文有限元分析模型的可靠性。接着计算安全阀在现场实际运行时, 即同时约束进出口法兰情况下的自振频率, 该阀第一阶自振频率为395.27 Hz (图2b) 。两种约束情况下安全阀第一阶自振频率均大于33Hz, 因此可采用等效静力法进行应力计算。

 (a) 自振频率为73.5Hz　(b) 自振频率为395.27Hz

图2　安全阀第一阶频率模型振型

4.2、应力计算

　　根据ASME标准, 对不同性质的应力, 按照不同的限制条件进行分析。首先根据应力分布确定典型的危险截面进行评定, 然后选取内外壁相对的两个节点设置路径, Ansys自动将应力值进行均匀化和当量线性化分类处理, 然后根据相应限值进行分类评定。应力限值取A 级, 即σm < 1.0s, σm +σb< 1.5s。安全阀进口颈、出口颈、阀体焊接处、进出口法兰为重点关注的危险区域, 表1中列出了这5处详细的应力计算结果。根据分析结果可知, 安全阀在地震工况下的应力值均小于对应限值, 并有一定的安全裕度, 因此该型号安全阀满足抗震要求。

表1　安全阀主要部件应力计算损伤定位测试样本

5、结语

　　通过有限元软件进行抗震分析, 可全面直观地了解安全阀的应力变形分布情况, 为核安全级阀门的设计提供可靠的参考依据, 将进一步提高核安全级阀门结构设计水平。本文只是进行了静力分析,要详细分析阀门在地震谱作用下的应力变化过程,还需进行响应谱分析。