基于有限元分析方法，應(yīng)用ANSYS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)范對(duì)承壓邊界部件作出應(yīng)力評(píng)定和強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，核二級(jí)電動(dòng)截止閥在SSE地震載荷及設(shè)計(jì)組合載荷作用下能保持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。

1、概述

　　核安全級(jí)閥門是核電站中重要的安全設(shè)備之一。根據(jù)相關(guān)核安全法規(guī)的要求，核電站的核級(jí)與非核級(jí)能動(dòng)設(shè)備必須通過分析、試驗(yàn)、檢驗(yàn)或綜合手段證明設(shè)備在地震載荷及設(shè)計(jì)組合載荷作用下能保持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。隨著基礎(chǔ)理論及現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代核電站抗震設(shè)計(jì)中，有限元法已成為各類相關(guān)設(shè)備抗震分析與評(píng)價(jià)的主要數(shù)值仿真工具。本文以核二級(jí)電動(dòng)截止閥為例，在前處理器HyperMesh里建立三維有限元模型，用AN-SYS計(jì)算該閥門整機(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)范對(duì)承壓邊界部件作出應(yīng)力評(píng)定、強(qiáng)度校核以及能動(dòng)部件的變形評(píng)價(jià)，驗(yàn)證設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。

2、閥門結(jié)構(gòu)

　　核二級(jí)電動(dòng)截止閥(圖1，電動(dòng)裝置視為一剛體質(zhì)量塊，以質(zhì)量單元加在支架上)安全級(jí)別為二級(jí)，抗震類別為1A。設(shè)計(jì)壓力為6.4MPa，設(shè)計(jì)溫度為200℃。閥體、閥蓋和閥瓣由SA-182MF316制成，200℃下最大許用應(yīng)力值為134MPa。支架由SA-351MCF8M制成，最大許用應(yīng)力值為138MPa。閥桿由SA-705M630制成，最大許用應(yīng)力值為285MPa。閥體通過螺栓與閥蓋連接，電動(dòng)裝置的質(zhì)量約為45kg，其重心位置坐標(biāo)為(50，100，659)。

圖1 三維模型

3、模態(tài)計(jì)算

　　閥門模態(tài)計(jì)算的目的是確定第一階固有頻率是大于還是小于33Hz，從而確定是利用等效靜力方法還是動(dòng)力分析方法進(jìn)行計(jì)算。

　　對(duì)閥門進(jìn)出口法蘭的端面進(jìn)行固定約束和模態(tài)計(jì)算(圖2)，提取三階固有頻率數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 閥門固有頻率

圖2 閥門前三階模態(tài)振型

　　根據(jù)閥門試驗(yàn)報(bào)告，其測(cè)得的前三階固有頻率分別為43.45Hz、46.38Hz和第三階>100Hz，計(jì)算基頻與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由于閥門最低固有頻率均超過33Hz，可視為剛性結(jié)構(gòu)。因此，可用等效靜力分析方法進(jìn)行抗震分析。

4、抗震分析模型

4.1、地震載荷輸入

　　通常當(dāng)設(shè)備固有頻率大于33Hz時(shí)，可采用等效靜力分析方法進(jìn)行計(jì)算，即SSE地震載荷取三方向的加速度值做為地震輸入。根據(jù)《研制任務(wù)書》規(guī)定，兩個(gè)水平方向作用5g地震加速度值，垂直方向作用4g加速度值。

4.2、載荷組合與應(yīng)力限值

　　抗震分析一般只對(duì)第二類和第四類工況進(jìn)行，第二類工況考慮OBE地震，第四類工況考慮SSE地震。為了計(jì)算方便和結(jié)果安全，在進(jìn)行建模計(jì)算和限值評(píng)定時(shí)，使用最嚴(yán)重的載荷組合(即事故工況D級(jí)載荷)和最嚴(yán)格的應(yīng)力限值(即A級(jí)的應(yīng)力限值，表2)。因此，如果這種情況下的應(yīng)力限值得到滿足，則其他工況的計(jì)算結(jié)果也必小于相應(yīng)的應(yīng)力限值，即設(shè)計(jì)和A、B、C級(jí)工況均可滿足。

表2 載荷組合及所應(yīng)用的應(yīng)力限值

　　注：表中的應(yīng)力限值取自ASME規(guī)范第III篇表NC-3521-1。

　　σm：總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度σb：一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度σL：局部薄膜應(yīng)力S：最大許用應(yīng)力值

　　核閥抗震分析充分考慮設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)備自重、螺栓預(yù)緊力等使用載荷和地震載荷。閥門的設(shè)計(jì)壓力為6.4MPa，為計(jì)算安全，事故工況下作用壓力取值為1.5倍設(shè)計(jì)壓力，閥門的設(shè)計(jì)溫度主要用來確定此溫度下材料的許用應(yīng)力，而不考慮由于溫度作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力(二次應(yīng)力，相對(duì)由壓力引起的應(yīng)力，數(shù)值很小，可忽略)，螺栓預(yù)緊力值則根據(jù)滿足緊密要求的設(shè)計(jì)計(jì)算獲得，設(shè)備自重考慮為在設(shè)備施加1g的重力加速度。

4.3、有限元模型

　　建模時(shí)，在不影響分析結(jié)果的前提下對(duì)閥門結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。考慮到電動(dòng)裝置的整體剛性很強(qiáng)，其對(duì)閥門的主要作用是施加慣性載荷，因此在計(jì)算中將電動(dòng)裝置簡(jiǎn)化為在其質(zhì)心處的一個(gè)集中質(zhì)量點(diǎn)，通過多點(diǎn)約束的形式連接到支架的上端面。利用前處理軟件HyperMesh建立三維有限元模型，模型采用SOLID95實(shí)體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元及PRETS179預(yù)緊單元、MASS21質(zhì)量單元，一共劃分89382個(gè)單元，216852個(gè)結(jié)點(diǎn)。閥門整體模型各部件之間的連接主要通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)連續(xù)、MPC約束、建立接觸對(duì)的方法進(jìn)行處理。

　　考慮最惡劣的工況承受最不利的載荷組合，計(jì)算事故工況(1.5×設(shè)計(jì)內(nèi)壓+螺栓預(yù)緊力+設(shè)備自重+SSE載荷)，在閥門進(jìn)出口法蘭的端面進(jìn)行固定約束，作用均布?jí)毫��?.4×1.5=9.6MPa，螺栓預(yù)緊力值根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算書獲得，SSE地震載荷按照水平方向5g、垂直方向4g加速度設(shè)置，自重影響只在垂直方向設(shè)置為1g加速度，計(jì)算有限元模型如圖3所示。

圖3 閥門計(jì)算有限元模型

5 、承壓邊界計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

　　閥門承壓邊界的分析對(duì)象包括閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣。分析計(jì)算它們?cè)谑鹿使�況下的應(yīng)力，然后進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核與評(píng)定。閥體、閥蓋作為壓力容器體，是基于應(yīng)力分布確定典型的危險(xiǎn)截面，根據(jù)應(yīng)力分類原則，利用ASME規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。閥桿、閥瓣和支架均采用不銹鋼塑性材料，分析采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行評(píng)定。

5.1、閥體和閥蓋應(yīng)力評(píng)定

　　閥門整機(jī)在內(nèi)壓、自重、螺栓預(yù)緊力和SSE地震載荷組合作用下的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。選取閥體和閥蓋薄弱部位的應(yīng)力評(píng)定截面(穿過壁厚的應(yīng)力評(píng)定線，圖5)，利用ANSYS后處理器的Path功能計(jì)算評(píng)定截面的薄膜應(yīng)力σm和薄膜加彎曲應(yīng)力σm+σb。最大薄膜應(yīng)力發(fā)生在A-A截面，值為36.54MPa，而最大薄膜加彎曲應(yīng)力產(chǎn)生在C-C截面，值為73.15MPa，分析用應(yīng)力限值保守地取A級(jí)的限值，即σm≤1.0S，σm+σb≤1.5S，S為閥體、閥蓋的許用應(yīng)力，值為134MPa，顯然滿足應(yīng)力限值要求。

圖4 閥門總體應(yīng)力強(qiáng)度云圖

圖5 應(yīng)力評(píng)定截面示意圖

5.2、支架、閥瓣和閥桿校核

　　在內(nèi)壓、自重、螺栓預(yù)緊力和SSE地震載荷組合作用下，支架、閥瓣和閥桿的最大應(yīng)力強(qiáng)度值分別為113.5MPa、99MPa和146MPa，分別小于其材料許可應(yīng)力值138MPa、134MPa和285MPa。

　　根據(jù)要求，可動(dòng)部件與靜止部件的相對(duì)變形不超過實(shí)際間隙的90%，即閥桿與閥蓋的間隙要求控制在0.4mm內(nèi)。根據(jù)計(jì)算，閥桿在事故工況下的最大變形量為0.31mm，在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，能保證能動(dòng)部件在地震時(shí)和地震后的可運(yùn)行性。

5.3、中法蘭與螺栓應(yīng)力校核

　　在內(nèi)壓、自重、螺栓預(yù)緊力和SSE地震載荷組合作用下，中法蘭與螺栓應(yīng)力校核見表3，支架與壓板聯(lián)接螺栓的應(yīng)力校核見表4。

表3 中法蘭與螺栓應(yīng)力校核

表4 支架與壓板聯(lián)接螺栓應(yīng)力校核

6、結(jié)語

　　應(yīng)用ANSYS進(jìn)行抗震分析過程中采用最惡劣的工況、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。在閥門的制造和材料等均符合ASME規(guī)范相應(yīng)要求的前提下，核二級(jí)電動(dòng)截止閥，在內(nèi)壓、自重、螺栓預(yù)緊力和地震載荷組合作用下，閥門各部件的應(yīng)力均小于規(guī)范限值，變形控制在可接受范圍內(nèi)。因此，閥門在SSE地震事故工況條件下能保持結(jié)構(gòu)完整性及可運(yùn)行性。