核一级电动闸阀抗震分析
基于有限元分析和经验公式相结合的方法，计算核一级电动闸阀整机的振动模态以及在承受地震载荷及设计组合载荷共同作用下的应力及变形。根据ASME规范对承压边界部件作出应力评定和强度校核。
1、概述
核电站中需要用到大量的阀门，其中有相当数量的阀门定为核级阀门。核级阀门在设计、制造和检验等各个环节上的要求均高于普通阀门。核级阀门为核电站中重要的安全设备，必须能承受核电厂寿命期内的使用载荷和地震载荷，并能保持压力边界完整和不丧失功能，因此在设计核安全级阀门样机时必须要进行应力计算和抗震分析。目前，核级阀门的抗震分析一般采用计算机软件计算和经验公式计算相结合的方法。本文以核一级电动闸阀为例，验证阀门在安全停堆地震(SSE) 载荷及设计组合载荷作用下的结构完整性。分析中应用简化的有限元杆多质量点- 梁模型计算阀门整机的振动模态，以及在承受地震载荷及设计组合载荷共同作用下的应力及变形，然后根据ASME 规范进行应力评定和强度校核。
2、分析评定方法
阀门的安全级别为核一级，抗震类型为抗震I类，阀门的主体材料为SA182M F316，支架由A276M-304 制成(图1) 。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)根据阀门的结构特点、地震输入和ASME 规范第III 卷NB-3500 的要求，确定对阀体、阀盖组件及固定螺栓进行抗震分析和评定。抗震分析中考虑的载荷包括内压、自重、阀门操作载荷，接管载荷以及水平两方向和垂直方向的地震惯性力。
图1 核级电动闸阀
2.1、阀体应力分析
根据NB-3500中的要求，需要校核内压力引起的一次薄膜应力，满足NB-3500 设计要求的阀门，在内压下的阀门最高应力区是在阀门拐角处。可以按照Tresca 方程计算得到阀门拐角处的一次膜应力Pm。除一次薄膜应力以外，还需要校核阀门二次应力Sn。
NB -3500 进一步要求核一级阀门的阀体能完成2000次的正常开启和关闭循环，并要求阀门在循环载荷下合格。
2.2、阀盖应力分析
阀盖属于承压部件，可采用ASME 规范第III卷附录XI 3200 的法兰分析方法进行计算。根据NB-3500 的要求，如果阀体- 阀盖采用螺栓连接，采用XI-3000 的方法进行设计和评定。
3、评定结果
3.1、ANSYS模型图
将阀体、阀盖、支架、直流电动装置及其他零件简化为集中质量- 梁模型，采用多质量点- 梁模型进行阀门抗震分析(图2) 。由ANSYS 程序得到该阀门最低频率f = 60.9Hz。
图2 闸阀频率分析模型
3.2、阀体评定
阀体薄弱截面为A-A 截面和C-C 截面(图3) ，作用载荷为内压、阀体及其各零件的自重、阀门操作载荷和SSE 惯性力，依据ASME - BPVC 第III卷，第1册，NB分卷，NB 3500 进行应力评定(表1，表2) 。
图3 阀体A - A 截面和C - C 截面
表1 阀体拐角区应力分析结果
表2 C - C 截面应力分析结果
由于A - A 截面的壁厚远大于配管的壁厚，可以认为，阀体的A - A 截面足以承受配管对阀体的作用载荷( 包括地震载荷) ，不需再作评定。根据NB - 3500 计算得到该阀门的疲劳寿命等于5 × 104次大于2000 次，满足设计要求。
3.3、阀盖评定
阀盖材料SA - 182M F316。阀盖采用ASME -BPVC 规范，第III 卷，附录XI3200 的法兰分析方法进行计算评定( 表3) 。
表3 阀盖应力分析结果
3.4、螺栓评定
阀盖与阀体连接螺栓材料为SA - 453M 660 -B。螺栓为承压螺栓，计算考虑内压、自重、地震力和阀门动作作用力，按法兰螺栓的计算方法进行评定( 表4，表5) 。
表4 阀体与阀盖连接螺栓参数
4、结语
核级电动闸阀抗震分析时采用最恶劣的工况、最不利的载荷组合，计算阀门设备的各重要承压部件的应力，然后利用最严格的应力限值( 评定准则)进行评定。
(1) 阀门自振频率高于33Hz，可近似认为是刚性结构，具有良好的抗震性能。
(2) 承压边界阀体和阀盖在各种规定载荷综合作用下产生的薄膜应力σm、薄膜加弯曲应力σm +σb都在许用值范围内，满足强度要求。
(3) 法兰及其连接螺栓的各类应力均在要求的限值内，能保持结构边界的连接。
因此，在内压、自重、阀门操作载荷以及水平两方向和垂直方向的地震惯性力的联合作用下，该阀门能保持结构的完整性。
