核级全封闭电动闸阀抗震力学分析

　　应用SolidWorks Simulation 2011 有限元分析软件，分析了核级全封闭电动闸阀的抗震性能。提取了阀体和阀盖相关支撑线段上的应力进行评估，证明了阀门压力边界的完整性和功能完好性。

1、概述

　　艇用全封闭电动闸阀是核动力装置回路系统的重要装置，是保证反应堆一回路系统及其相连管道安全的关键设备，属核安全一级设备。抗震力学分析的目的是考核电动闸阀在地震载荷作用时的性能指标，以验证其在规定的地震载荷作用下的压力边界完整性和功能完好性。

2、材料力学性能及载荷组合

　　电动闸阀的主体由阀体、阀盖、闸板和屏蔽式电传动装置等组成，其中阀体和阀盖由双头螺柱连接成为一个整体，屏蔽电传动装置和阀盖由双头螺柱连接成为一个整体，内部有闸板和阀杆等部件。

　　2.1、力学性能

　　阀门主体材料及双头螺柱材料的力学性能见表1。材料的许用应力强度应为室温下规定最小抗拉强度Rm的1/3、工作温度下抗拉强度Su的1/3、室温下规定最小屈服强度Re的2/3 或工作温度下屈服强度Sy的90%中的最小值。

表1 阀门主体材料及主要连接螺栓的力学性能MPa

　　2.2、载荷组合

　　根据NB /T 20010.10 -2010、GB 50276 -1997、GJB 8431A - 2005 及RCC - M 第二册B 篇的相关规定，对1A 级阀门进行抗震分析和力学计算。为保证阀门在工作条件下的安全性、可靠性及压力边界的完整性，地震条件下的力计算采用比较保守计算方法，按O 级及A 级准则进行评价( 表2) ，即1. 2 ×设计内压+ 管道反作用力+ SL2 地震引起的作用。

3、力学分析计算

　　在力学计算过程中，重点针对阀门的承压边界部分进行计算。通过对全封闭电动闸阀的主体，包括阀体、阀盖和全封闭电传动装置进行整体有限元应力计算，求得阀门主体的应力分布。

　　3.1、整体模态分析

　　有限元分析使用的前处理软件为SolidWorks 2011，计算及后处理软件为SolidWorks Simulation 2011，取实际结构的三维模型进行网格划分( 图1) 。其中屏蔽式电传动装置视为外伸机构，力学分析过程中简化为质点载荷。模态分析求解结果显示，阀门整体结构的基频为38.749Hz，第二阶频率为89.33Hz ( 图2) ，阀门整机包括外伸结构的最低自振频率大于33Hz，其抗震分析可采用准静力法。

图1 阀门整体的有限元模型

图2 阀门阵型

　　3.2、地震条件下的力学计算

　　地震条件下，阀门除了承受正常运行的各种载荷外，还要承受地震加速度所引起的惯性力。模型中的载荷包括运行压力(P = 1.2 × 设计压力) 、管道反作用力、自重和地震加速度(分别为4.5g) ，进行有限元计算后，得到阀门的Tresca 应力分布( 图3) 。根据承压边界一次应力和二次应力的分类原则，由应力云图显示的应力分布结果，并结合应力线性化曲线图( 图4、图5) ，分别对阀盖、阀体进行评价。阀盖的总体一次薄膜应力限值不超过50MPa，一次薄膜加弯曲应力强度不超过65MPa。阀体有两个位置需要评价。第1 个位置为阀体中腔处，此处的总体一次薄膜应力极限值不超过85MPa，一次薄膜加弯曲应力强度不超过132MPa。第2 个位置为整体结构不连续区附近，阀体阀径处有应力集中现象，此处的一次应力为85MPa，一次加二次应力为144MPa。

图3 地震条件下阀门的Tresca 应力分布

表2 载荷组合及准则级别

4、功能分析

　　通过对阀门整体应变(图6) 和主体应力评价(表2) 分析，阀门在地震载荷下的整体变形量很小，不影响其功能。

图4 阀体支撑线段上应力线性化曲线

图5 阀盖支撑线段上应力线性化曲线

图6 阀门应变图

表3 阀门主体应力评价

5、结语

　　依据相关标准对核级全封闭电动闸阀进行的抗震分析和评估结果表明，阀门的压力边界功能完好，整体变形小，为后期的设计及优化提供了可靠的依据。