核二级手动截止阀的抗震分析

2014-09-11 刘海鹏海军驻四三一厂军事代表室

1、概述

　　在核电站各系统中，承担、支持核电厂基本安全功能或具有防止、缓解事故功能的阀门被定为核安全级阀门。根据国家核安全法规，核安全级阀门在抗震分类中均应列为抗震Ⅰ类，采用SL-2 地震载荷( 极限安全地震载荷) 进行设计和论证。

　　在核级阀门抗震设计过程中，需要对地震载荷下阀门结构进行详细的应力分析和评价，校核其压力边界的完整性。一般采用的根据规范中的标准算法、图表和经验公式进行估算的方法不能满足这一要求，必须采用结构力学分析的方法，比如核级设备设计中已广泛应用的有限元分析法( FEA) 。本文根据ASME Ⅲ NC 卷中有关分析法设计的准则，采用有限元分析法对核二级手动截止阀进行地震载荷下的结构力学分析计算。

2、结构参数

　　核级手动截止阀由阀体、阀体连接件、阀盖、阀杆组件、填料、传动杆及手轮等组成( 图1) 。阀门进口直接与高压管道焊接，阀门出口通过螺纹接头连接下游管道。由于阀门规格尺寸较小，直接通过两端连接的管道进行支撑。

核级手动截止阀

1. 阀体2. 阀体连接件3. 阀杆组件4. 阀盖5. 传动杆6. 填料7. 手轮

图1 核级手动截止阀

　　阀门主要设计参数安全等级核二级，公称通径( mm) 10；设计压力( MPa) 18；设计温度( ℃) 350；主要材料A182 F321；质量( kg) 2. 45；外形尺寸( mm) 140 × 60 × 200

3、载荷组合及评定准则

　　分析中所考虑的载荷主要包括内压、自重接管载荷和地震载荷。

　　(1) 内压

　　内压作用于阀体、阀体连接件和阀盖内表面上。同时，在阀盖与阀杆螺母相连接的螺纹面上沿阀杆轴向施加内压对阀杆产生的力载荷。

　　(2) 自重

　　阀内的介质和附加结构的质量等效到阀体、阀体连接件和阀盖上。

　　(3) 接管载荷

　　在阀体进口端面施加固定约束，在阀体出口螺纹面施加管口载荷。

　　(4) 地震载荷

　　分为运行基准地震(OBE) 和安全停堆地震(SSE) 。对于安装在管道上的阀门，SSE 加速度反应谱的峰值加速度为4.5g，OBE 取SSE 的1 /2。根据ASME 规范，应对上述载荷按设计载荷和A、B、C、D 四级使用载荷进行载荷组合后开展分析和评价( 表1) 。各使用限制分别与正常、异常、紧急及事故工况相对应。

表1 载荷组合

载荷组合

　　对于安全二级阀门，根据文献表NC-3521-1，各使用载荷对应的应力评定准则如表2 所示。

表2 应力评定准则

应力评定准则

　　根据文献D 篇表1A，阀门主体材料在设计温度下的许用应力值为S = 121MPa。

4、模型建立

　　为便于模型建立及分析需要，对核级手动截止阀结构进行了适当简化，仅保留阀体、阀体连接件和阀盖等主要承压零部件，并简化去掉了小倒角和螺纹等几何特征( 图2) 。

阀门的几何模型

图2 阀门的几何模型

　　阀内的介质和附加结构的质量采用等效密度的方式附加到对应的壳体上，阀体、阀盖和阀体连接件之间采用设置接触对的方式连接起来。建模及分析使用通用有限元分析软件ANSYS 进行，有限元模型以10 节点四面体单元建立，包含39 562 个单元，69 070 个节点( 图3) 。

阀门的有限元模型

图3 阀门的有限元模型

5、应力分析及评定

　　首先对阀门进行模态分析，计算得到阀门的基频为171Hz，大于33Hz，满足刚性部件条件，可采用等效静力法进行抗震分析。将地震加速度反应谱中峰值加速度的1. 5 倍作为当量加速度加载，计算时需同时考虑三个方向的地震载荷。

　　在设计工况下，根据表1 中的设计载荷组合进行加载，经过静力分析计算得到阀门的主应力云图( 图4) 。在阀体内壁根部的应力达到最大，最大主应力为112.02MPa。

设计工况下阀门主应力云图

图4 设计工况下阀门主应力云图

　　根据表2，需要评定一次薄膜应力σm和一次薄膜加一次弯曲应力σL + σb，采用应力线性化方法评定。在计算结果中主应力最大的节点处沿阀体壁厚方向设定应力分析路径。经线性化处理后得到应力径向线性化分布曲线( 图5) 。可得设计工况下主应力最大节点处σm = 26.104MPa < S，σL + σb =62.95MPa < 1.5S，满足规范要求。由于设计压力高于运行压力和事故压力，由表1 可见，设计载荷可以包络A 级、B 级及C 级使用载荷。而由表2 可见，设计载荷的评定限值却比A级、B 级及C 级使用载荷更严格。因而，在设计工况评定合格的情况下无需再评定正常、异常和紧急工况。

设计工况应力线性化分布曲线