基于有限元分析和經(jīng)驗公式相結(jié)合的方法，計算核一級電動閘閥整機的振動模態(tài)以及在承受地震載荷及設(shè)計組合載荷共同作用下的應(yīng)力及變形。根據(jù)ASME規(guī)范對承壓邊界部件作出應(yīng)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(dāng)數(shù)量的閥門定為核級閥門。核級閥門在設(shè)計、制造和檢驗等各個環(huán)節(jié)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(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)計核安全級閥門樣機時必須要進行應(yīng)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(jīng)驗公式計算相結(jié)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(shè)計組合載荷作用下的結(jié)構(gòu)完整性。分析中應(yīng)用簡化的有限元桿多質(zhì)量點- 梁模型計算閥門整機的振動模態(tài)，以及在承受地震載荷及設(shè)計組合載荷共同作用下的應(yīng)力及變形，然后根據(jù)ASME 規(guī)范進行應(yīng)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(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)特點、地震輸入和ASME 規(guī)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(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 核級電動閘閥

　　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�？梢园凑誘resca 方程計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 進一步要求核一級閥門的閥體能完成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 的法蘭分析方法進行計算。根據(jù)NB-3500 的要求，如果閥體- 閥蓋采用螺栓連接，采用XI-3000 的方法進行設(shè)計和評定。

3、評定結(jié)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(zhì)量- 梁模型，采用多質(zhì)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(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，NB分卷，NB 3500 進行應(yīng)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(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閥體的作用載荷( 包括地震載荷) ，不需再作評定。根據(jù)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(shè)計要求。

　　3.3、閥蓋評定

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

表3 閥蓋應(yīng)力分析結(jié)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(nèi)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(shù)

4、結(jié)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(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( 評定準(zhǔn)則)進行評定。

　　(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。