核级电动闸阀抗震应力分析

　　阐述了应用有限元模型对核级电动闸阀在地震时的力学分析过程及应力评价结果。

1、概述

　　随着国家核电发展的需要，核电系统配置阀门的国产化率也在不断提高。在阀门设计过程中，针对核级阀门苛刻的工况条件，应用计算机对阀门进行有限元应力分析是其强度校核的方法之一。本文以核级电动闸阀为例，分析了在地震作用下阀门承受应力的能力。

2、校核原理

　　根据RCC - M 和GB 50267 - 1997 等相关标准和规范要求，核级电动闸阀应按照抗震Ⅰ类设备要求进行抗震分析，并采用第三强度理论( Tresca) 对阀门进行力学计算。阀门的承压边界主要包括阀体和阀盖。基于O 级准则计算方法，阀体和阀盖可作为一个整体承受内压产生的载荷。因此，将闸阀的阀体和阀盖作为一个整体建立有限元模型，电动装置简化为质点进行载荷耦合，并忽略螺栓连接载荷。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)考虑到地震载荷的非对称性，模型取实际结构的三维模型进行网格划分( 图1) 。模型用四面体10 节点单元建立，共有81 358 个节点、49 967 个单元。模型载荷包括设计内压( P = 17. 2MPa，作用于阀体和阀盖的内腔上) 、接管载荷和自重。设备的抗震评定载荷及工况组合见表1，阀体和阀盖材料的力学性能见表2。

表1 设备评定载荷准则及工况组合

　　注: 基准工况为第2 类工况所承受的最严重的作用。第2 类工况为正常和异常工况。在进行第2 类工况应力评价时使用基准工况数据分析会更严格，地震发生在基准工况中是一种最危险的载荷组合。

表2 阀门主体材料的机械性能

3、校核过程

3.1、基准工况

　　按照基准工况条件进行模态分析，以了解结构的整体动力学特性。计算表明，阀门整体结构的基频( 第一阶) 为180. 78Hz，第二阶频率为247. 85Hz，阀门整体结构的第一阶和第二阶振型均表现为阀门整体的摆动( 图2) 。由于设备的基频超过33Hz 即可认为是刚性体，因此阀门整体结构满足刚度要求。由此进行有限元计算，根据阀门的Tresca 应力分布( 图3) 分析，阀盖的总体一次薄膜应力极限值≤55MPa，阀体的总体一次薄膜应力极限值≤90MPa，一次薄膜加弯曲应力强度≤100MPa。

图1 阀门整体的有限元网格模型

(a) 第一阶(b) 第二阶

图2 阀门振型

3.2、第2 类工况

　　按照第2 类工况条件( 如果采用基准工况下的参数校核更严格) 进行有限元计算，根据阀门的Tresca 应力分布( 图4) ，阀体一次和二次应力极限≤120MPa。

3.3、地震工况

　　按照地震工况条件进行有限元计算，根据阀门的Tresca 应力分布( 图5) 分析，阀盖的总体一次薄膜应力极限值≤60MPa。阀体的总体一次薄膜应力极限值≤95MPa，一次薄膜加弯曲应力强度≤105MPa，一次和二次应力极限≤126MPa。

4、应力评价

　　经过对核级电动闸阀的应力分析( 表3) ，其强度符合核电系统的要求。

(a) 阀盖( b) 阀体

图3 基准工况下阀门的应力分布

图4 第2 类工况下阀体的应力分布

表3 核级电动闸阀的应力评价

(a) 阀盖( b) 阀体

图5 地震工况下阀门的应力分布

5、结语

　　在校核过程中，选择合适的载荷组合及适当的校核准则是核级电动闸阀校核准确性的关键。经过严格的应力校核，核级电动闸阀在地震工况下可保证安全性、可靠性及压力边界完整性。