核級電動閘閥抗震應(yīng)力分析

2014-08-07 李陽光沈陽盛世高中壓閥門有限公司

　　闡述了應(yīng)用有限元模型對核級電動閘閥在地震時的力學分析過程及應(yīng)力評價結(jié)果。

1、概述

　　隨著國家核電發(fā)展的需要，核電系統(tǒng)配置閥門的國產(chǎn)化率也在不斷提高。在閥門設(shè)計過程中，針對核級閥門苛刻的工況條件，應(yīng)用計算機對閥門進行有限元應(yīng)力分析是其強度校核的方法之一。本文以核級電動閘閥為例，分析了在地震作用下閥門承受應(yīng)力的能力。

2、校核原理

　　根據(jù)RCC - M 和GB 50267 - 1997 等相關(guān)標準和規(guī)范要求，核級電動閘閥應(yīng)按照抗震Ⅰ類設(shè)備要求進行抗震分析，并采用第三強度理論( Tresca) 對閥門進行力學計算。閥門的承壓邊界主要包括閥體和閥蓋。基于O 級準則計算方法，閥體和閥蓋可作為一個整體承受內(nèi)壓產(chǎn)生的載荷。因此，將閘閥的閥體和閥蓋作為一個整體建立有限元模型，電動裝置簡化為質(zhì)點進行載荷耦合，并忽略螺栓連接載荷。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)考慮到地震載荷的非對稱性，模型取實際結(jié)構(gòu)的三維模型進行網(wǎng)格劃分( 圖1) 。模型用四面體10 節(jié)點單元建立，共有81 358 個節(jié)點、49 967 個單元。模型載荷包括設(shè)計內(nèi)壓( P = 17. 2MPa，作用于閥體和閥蓋的內(nèi)腔上) 、接管載荷和自重。設(shè)備的抗震評定載荷及工況組合見表1，閥體和閥蓋材料的力學性能見表2。

表1 設(shè)備評定載荷準則及工況組合

設(shè)備評定載荷準則及工況組合

　　注: 基準工況為第2 類工況所承受的最嚴重的作用。第2 類工況為正常和異常工況。在進行第2 類工況應(yīng)力評價時使用基準工況數(shù)據(jù)分析會更嚴格，地震發(fā)生在基準工況中是一種最危險的載荷組合。

表2 閥門主體材料的機械性能

閥門主體材料的機械性能

3、校核過程

3.1、基準工況

　　按照基準工況條件進行模態(tài)分析，以了解結(jié)構(gòu)的整體動力學特性。計算表明，閥門整體結(jié)構(gòu)的基頻( 第一階) 為180. 78Hz，第二階頻率為247. 85Hz，閥門整體結(jié)構(gòu)的第一階和第二階振型均表現(xiàn)為閥門整體的擺動( 圖2) 。由于設(shè)備的基頻超過33Hz 即可認為是剛性體，因此閥門整體結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。由此進行有限元計算，根據(jù)閥門的Tresca 應(yīng)力分布( 圖3) 分析，閥蓋的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤55MPa，閥體的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤90MPa，一次薄膜加彎曲應(yīng)力強度≤100MPa。

閥門整體的有限元網(wǎng)格模型

圖1 閥門整體的有限元網(wǎng)格模型

(a) 第一階(b) 第二階

閥門振型

圖2 閥門振型

3.2、第2 類工況

　　按照第2 類工況條件( 如果采用基準工況下的參數(shù)校核更嚴格) 進行有限元計算，根據(jù)閥門的Tresca 應(yīng)力分布( 圖4) ，閥體一次和二次應(yīng)力極限≤120MPa。

3.3、地震工況

　　按照地震工況條件進行有限元計算，根據(jù)閥門的Tresca 應(yīng)力分布( 圖5) 分析，閥蓋的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤60MPa。閥體的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤95MPa，一次薄膜加彎曲應(yīng)力強度≤105MPa，一次和二次應(yīng)力極限≤126MPa。