核二級手動截止閥的抗震分析

2014-09-11 劉海鵬海軍駐四三一廠軍事代表室

1、概述

　　在核電站各系統中，承擔、支持核電廠基本安全功能或具有防止、緩解事故功能的閥門被定為核安全級閥門。根據國家核安全法規，核安全級閥門在抗震分類中均應列為抗震Ⅰ類，采用SL-2 地震載荷( 極限安全地震載荷) 進行設計和論證。

　　在核級閥門抗震設計過程中，需要對地震載荷下閥門結構進行詳細的應力分析和評價，校核其壓力邊界的完整性。一般采用的根據規范中的標準算法、圖表和經驗公式進行估算的方法不能滿足這一要求，必須采用結構力學分析的方法，比如核級設備設計中已廣泛應用的有限元分析法( FEA) 。本文根據ASME Ⅲ NC 卷中有關分析法設計的準則，采用有限元分析法對核二級手動截止閥進行地震載荷下的結構力學分析計算。

2、結構參數

　　核級手動截止閥由閥體、閥體連接件、閥蓋、閥桿組件、填料、傳動桿及手輪等組成( 圖1) 。閥門進口直接與高壓管道焊接，閥門出口通過螺紋接頭連接下游管道。由于閥門規格尺寸較小，直接通過兩端連接的管道進行支撐。

核級手動截止閥

1. 閥體2. 閥體連接件3. 閥桿組件4. 閥蓋5. 傳動桿6. 填料7. 手輪

圖1 核級手動截止閥

　　閥門主要設計參數安全等級核二級，公稱通徑( mm) 10；設計壓力( MPa) 18；設計溫度( ℃) 350；主要材料A182 F321；質量( kg) 2. 45；外形尺寸( mm) 140 × 60 × 200

3、載荷組合及評定準則

　　分析中所考慮的載荷主要包括內壓、自重接管載荷和地震載荷。

　　(1) 內壓

　　內壓作用于閥體、閥體連接件和閥蓋內表面上。同時，在閥蓋與閥桿螺母相連接的螺紋面上沿閥桿軸向施加內壓對閥桿產生的力載荷。

　　(2) 自重

　　閥內的介質和附加結構的質量等效到閥體、閥體連接件和閥蓋上。

　　(3) 接管載荷

　　在閥體進口端面施加固定約束，在閥體出口螺紋面施加管口載荷。

　　(4) 地震載荷

　　分為運行基準地震(OBE) 和安全停堆地震(SSE) 。對于安裝在管道上的閥門，SSE 加速度反應譜的峰值加速度為4.5g，OBE 取SSE 的1 /2。根據ASME 規范，應對上述載荷按設計載荷和A、B、C、D 四級使用載荷進行載荷組合后開展分析和評價( 表1) 。各使用限制分別與正常、異常、緊急及事故工況相對應。

表1 載荷組合

載荷組合

　　對于安全二級閥門，根據文獻表NC-3521-1，各使用載荷對應的應力評定準則如表2 所示。

表2 應力評定準則

應力評定準則

　　根據文獻D 篇表1A，閥門主體材料在設計溫度下的許用應力值為S = 121MPa。

4、模型建立

　　為便于模型建立及分析需要，對核級手動截止閥結構進行了適當簡化，僅保留閥體、閥體連接件和閥蓋等主要承壓零部件，并簡化去掉了小倒角和螺紋等幾何特征( 圖2) 。

閥門的幾何模型

圖2 閥門的幾何模型

　　閥內的介質和附加結構的質量采用等效密度的方式附加到對應的殼體上，閥體、閥蓋和閥體連接件之間采用設置接觸對的方式連接起來。建模及分析使用通用有限元分析軟件ANSYS 進行，有限元模型以10 節點四面體單元建立，包含39 562 個單元，69 070 個節點( 圖3) 。

閥門的有限元模型

圖3 閥門的有限元模型

5、應力分析及評定

　　首先對閥門進行模態分析，計算得到閥門的基頻為171Hz，大于33Hz，滿足剛性部件條件，可采用等效靜力法進行抗震分析。將地震加速度反應譜中峰值加速度的1. 5 倍作為當量加速度加載，計算時需同時考慮三個方向的地震載荷。

　　在設計工況下，根據表1 中的設計載荷組合進行加載，經過靜力分析計算得到閥門的主應力云圖( 圖4) 。在閥體內壁根部的應力達到最大，最大主應力為112.02MPa。

設計工況下閥門主應力云圖

圖4 設計工況下閥門主應力云圖

　　根據表2，需要評定一次薄膜應力σm和一次薄膜加一次彎曲應力σL + σb，采用應力線性化方法評定。在計算結果中主應力最大的節點處沿閥體壁厚方向設定應力分析路徑。經線性化處理后得到應力徑向線性化分布曲線( 圖5) 。可得設計工況下主應力最大節點處σm = 26.104MPa < S，σL + σb =62.95MPa < 1.5S，滿足規范要求。由于設計壓力高于運行壓力和事故壓力，由表1 可見，設計載荷可以包絡A 級、B 級及C 級使用載荷。而由表2 可見，設計載荷的評定限值卻比A級、B 級及C 級使用載荷更嚴格。因而，在設計工況評定合格的情況下無需再評定正常、異常和緊急工況。

設計工況應力線性化分布曲線