基于有限元分析和經驗公式相結合的方法，計算核一級電動閘閥整機的振動模態以及在承受地震載荷及設計組合載荷共同作用下的應力及變形。根據ASME規范對承壓邊界部件作出應力評定和強度校核。

1、概述

　　核電站中需要用到大量的閥門，其中有相當數量的閥門定為核級閥門。核級閥門在設計、制造和檢驗等各個環節上的要求均高于普通閥門。核級閥門為核電站中重要的安全設備，必須能承受核電廠壽命期內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，因此在設計核安全級閥門樣機時必須要進行應力計算和抗震分析。目前，核級閥門的抗震分析一般采用計算機軟件計算和經驗公式計算相結合的方法。本文以核一級電動閘閥為例，驗證閥門在安全停堆地震(SSE) 載荷及設計組合載荷作用下的結構完整性。分析中應用簡化的有限元桿多質量點- 梁模型計算閥門整機的振動模態，以及在承受地震載荷及設計組合載荷共同作用下的應力及變形，然后根據ASME 規范進行應力評定和強度校核。

2、分析評定方法

　　閥門的安全級別為核一級，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) 。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)根據閥門的結構特點、地震輸入和ASME 規范第III 卷NB-3500 的要求，確定對閥體、閥蓋組件及固定螺栓進行抗震分析和評定。抗震分析中考慮的載荷包括內壓、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 核級電動閘閥

　　2.1、閥體應力分析

　　根據NB-3500中的要求，需要校核內壓力引起的一次薄膜應力，滿足NB-3500 設計要求的閥門，在內壓下的閥門最高應力區是在閥門拐角處。可以按照Tresca 方程計算得到閥門拐角處的一次膜應力Pm。除一次薄膜應力以外，還需要校核閥門二次應力Sn。

　　NB -3500 進一步要求核一級閥門的閥體能完成2000次的正常開啟和關閉循環，并要求閥門在循環載荷下合格。

　　2.2、閥蓋應力分析

　　閥蓋屬于承壓部件，可采用ASME 規范第III卷附錄XI 3200 的法蘭分析方法進行計算。根據NB-3500 的要求，如果閥體- 閥蓋采用螺栓連接，采用XI-3000 的方法進行設計和評定。

3、評定結果

　　3.1、ANSYS模型圖

　　將閥體、閥蓋、支架、直流電動裝置及其他零件簡化為集中質量- 梁模型，采用多質量點- 梁模型進行閥門抗震分析(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) ，作用載荷為內壓、閥體及其各零件的自重、閥門操作載荷和SSE 慣性力，依據ASME - BPVC 第III卷，第1冊，NB分卷，NB 3500 進行應力評定(表1，表2) 。

圖3 閥體A - A 截面和C - C 截面

表1 閥體拐角區應力分析結果

表2 C - C 截面應力分析結果

　　由于A - A 截面的壁厚遠大于配管的壁厚，可以認為，閥體的A - A 截面足以承受配管對閥體的作用載荷( 包括地震載荷) ，不需再作評定。根據NB - 3500 計算得到該閥門的疲勞壽命等于5 × 10⁴次大于2000 次，滿足設計要求。

　　3.3、閥蓋評定

　　閥蓋材料SA - 182M F316。閥蓋采用ASME -BPVC 規范，第III 卷，附錄XI3200 的法蘭分析方法進行計算評定( 表3) 。

表3 閥蓋應力分析結果

　　3.4、螺栓評定

　　閥蓋與閥體連接螺栓材料為SA - 453M 660 -B。螺栓為承壓螺栓，計算考慮內壓、自重、地震力和閥門動作作用力，按法蘭螺栓的計算方法進行評定( 表4，表5) 。

表4 閥體與閥蓋連接螺栓參數

4、結語

　　核級電動閘閥抗震分析時采用最惡劣的工況、最不利的載荷組合，計算閥門設備的各重要承壓部件的應力，然后利用最嚴格的應力限值( 評定準則)進行評定。

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

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

　　(3) 法蘭及其連接螺栓的各類應力均在要求的限值內，能保持結構邊界的連接。

　　因此，在內壓、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合作用下，該閥門能保持結構的完整性。