基于有限元分析和經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法，計(jì)算核一級(jí)電動(dòng)閘閥整機(jī)的振動(dòng)模態(tài)以及在承受地震載荷及設(shè)計(jì)組合載荷共同作用下的應(yīng)力及變形。根據(jù)ASME規(guī)范對(duì)承壓邊界部件作出應(yīng)力評(píng)定和強(qiáng)度校核。

1、概述

　　核電站中需要用到大量的閥門，其中有相當(dāng)數(shù)量的閥門定為核級(jí)閥門。核級(jí)閥門在設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)上的要求均高于普通閥門。核級(jí)閥門為核電站中重要的安全設(shè)備，必須能承受核電廠壽命期內(nèi)的使用載荷和地震載荷，并能保持壓力邊界完整和不喪失功能，因此在設(shè)計(jì)核安全級(jí)閥門樣機(jī)時(shí)必須要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和抗震分析。目前，核級(jí)閥門的抗震分析一般采用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相結(jié)合的方法。本文以核一級(jí)電動(dòng)閘閥為例，驗(yàn)證閥門在安全停堆地震(SSE) 載荷及設(shè)計(jì)組合載荷作用下的結(jié)構(gòu)完整性。分析中應(yīng)用簡(jiǎn)化的有限元桿多質(zhì)量點(diǎn)- 梁模型計(jì)算閥門整機(jī)的振動(dòng)模態(tài)，以及在承受地震載荷及設(shè)計(jì)組合載荷共同作用下的應(yīng)力及變形，然后根據(jù)ASME 規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定和強(qiáng)度校核。

2、分析評(píng)定方法

　　閥門的安全級(jí)別為核一級(jí)，抗震類型為抗震I類，閥門的主體材料為SA182M F316，支架由A276M-304 制成(圖1) 。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地震輸入和ASME 規(guī)范第III 卷NB-3500 的要求，確定對(duì)閥體、閥蓋組件及固定螺栓進(jìn)行抗震分析和評(píng)定。抗震分析中考慮的載荷包括內(nèi)壓、自重、閥門操作載荷，接管載荷以及水平兩方向和垂直方向的地震慣性力。

圖1 核級(jí)電動(dòng)閘閥

　　2.1、閥體應(yīng)力分析

　　根據(jù)NB-3500中的要求，需要校核內(nèi)壓力引起的一次薄膜應(yīng)力，滿足NB-3500 設(shè)計(jì)要求的閥門，在內(nèi)壓下的閥門最高應(yīng)力區(qū)是在閥門拐角處。可以按照Tresca 方程計(jì)算得到閥門拐角處的一次膜應(yīng)力Pm。除一次薄膜應(yīng)力以外，還需要校核閥門二次應(yīng)力Sn。

　　NB -3500 進(jìn)一步要求核一級(jí)閥門的閥體能完成2000次的正常開啟和關(guān)閉循環(huán)，并要求閥門在循環(huán)載荷下合格。

　　2.2、閥蓋應(yīng)力分析

　　閥蓋屬于承壓部件，可采用ASME 規(guī)范第III卷附錄XI 3200 的法蘭分析方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)NB-3500 的要求，如果閥體- 閥蓋采用螺栓連接，采用XI-3000 的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)定。

3、評(píng)定結(jié)果

　　3.1、ANSYS模型圖

　　將閥體、閥蓋、支架、直流電動(dòng)裝置及其他零件簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量- 梁模型，采用多質(zhì)量點(diǎn)- 梁模型進(jìn)行閥門抗震分析(圖2) 。由ANSYS 程序得到該閥門最低頻率f = 60.9Hz。

圖2 閘閥頻率分析模型

　　3.2、閥體評(píng)定

　　閥體薄弱截面為A-A 截面和C-C 截面(圖3) ，作用載荷為內(nèi)壓、閥體及其各零件的自重、閥門操作載荷和SSE 慣性力，依據(jù)ASME - BPVC 第III卷，第1冊(cè)，NB分卷，NB 3500 進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定(表1，表2) 。

圖3 閥體A - A 截面和C - C 截面

表1 閥體拐角區(qū)應(yīng)力分析結(jié)果

表2 C - C 截面應(yīng)力分析結(jié)果

　　由于A - A 截面的壁厚遠(yuǎn)大于配管的壁厚，可以認(rèn)為，閥體的A - A 截面足以承受配管對(duì)閥體的作用載荷( 包括地震載荷) ，不需再作評(píng)定。根據(jù)NB - 3500 計(jì)算得到該閥門的疲勞壽命等于5 × 10⁴次大于2000 次，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　3.3、閥蓋評(píng)定

　　閥蓋材料SA - 182M F316。閥蓋采用ASME -BPVC 規(guī)范，第III 卷，附錄XI3200 的法蘭分析方法進(jìn)行計(jì)算評(píng)定( 表3) 。

表3 閥蓋應(yīng)力分析結(jié)果

　　3.4、螺栓評(píng)定

　　閥蓋與閥體連接螺栓材料為SA - 453M 660 -B。螺栓為承壓螺栓，計(jì)算考慮內(nèi)壓、自重、地震力和閥門動(dòng)作作用力，按法蘭螺栓的計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)定( 表4，表5) 。

表4 閥體與閥蓋連接螺栓參數(shù)

4、結(jié)語

　　核級(jí)電動(dòng)閘閥抗震分析時(shí)采用最惡劣的工況、最不利的載荷組合，計(jì)算閥門設(shè)備的各重要承壓部件的應(yīng)力，然后利用最嚴(yán)格的應(yīng)力限值( 評(píng)定準(zhǔn)則)進(jìn)行評(píng)定。

　　(1) 閥門自振頻率高于33Hz，可近似認(rèn)為是剛性結(jié)構(gòu)，具有良好的抗震性能。

　　(2) 承壓邊界閥體和閥蓋在各種規(guī)定載荷綜合作用下產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力σm、薄膜加彎曲應(yīng)力σm +σb都在許用值范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

　　(3) 法蘭及其連接螺栓的各類應(yīng)力均在要求的限值內(nèi)，能保持結(jié)構(gòu)邊界的連接。

　　因此，在內(nèi)壓、自重、閥門操作載荷以及水平兩方向和垂直方向的地震慣性力的聯(lián)合作用下，該閥門能保持結(jié)構(gòu)的完整性。