核電站用防沖擊波閥閥體抗震分析

羅娟， 羅家成， 孫磊

(中國核動力研究設計院， 成都610213)

核電站用防沖擊波閥閥體抗震分析

羅娟， 羅家成， 孫磊

(中國核動力研究設計院， 成都610213)

采用有限元方法對田灣核電站3、4號機組采用的某型防沖擊波閥閥體進行了抗震計算分析。計算得到了結構的固有頻率、振型和地震載荷下的響應，并根據(jù)ASME AG-1對結構在重力、內(nèi)壓、沖擊波載荷、地震等多種載荷組合下的應力和變形進行評定，根據(jù)ASME III-NF對連接緊固件進行應力校核。結果表明，防沖擊波閥閥體的設計滿足相關規(guī)范的要求。

防沖擊波閥閥體；有限元；抗震分析；應力評定

引言

自日本福島核電站由于地震造成核泄漏事故以來，核電廠設備的抗震安全性能愈加得到業(yè)界的廣泛重視。核電廠中眾多的抗震I類、抗震II類以及一些非核抗震類設備在設計時需要進行地震載荷下的抗震計算，以及與其他載荷組合的應力分析與評定工作[1-3]，從而為核電廠的抗震安全性提供保證。

核電廠所用防沖擊波閥作為核電站安全運行關鍵附件，不僅可在正常情況下起流通與阻斷氣流作用，并可在沖擊波等突發(fā)事故工況下保護廠房內(nèi)設備安全。目前有限元法已成為各類核相關設備抗震分析評定的主要手段[4-6]，但國內(nèi)對核電站用防沖擊波閥的抗震安全性分析尚鮮見公開文獻。

田灣核電站用某型防沖擊波閥閥體的安全等級為3級，抗震類別為I類，需按有關規(guī)范進行抗震分析和應力評定。本文采用有限元軟件ANSYS[7]建立了閥體的力學模型，對結構進行了抗震計算分析，并按照ASME規(guī)范對結構進行了應力分析和強度校核，為閥體的抗震設計提供了依據(jù)。

1結構描述

防沖擊波閥閥體規(guī)格為425 mm×420 mm，主要由上下閥框、左右側框、上下安裝板、左右安裝板和加強板組成。上下安裝板、左右安裝板和加強板均由鋼板裁切而成，分別焊接在上下閥框和左右側框上。防沖擊波閥閥體通過錨栓與墻體連接，總體結構如圖1所示。

圖1總體結構圖

該防沖擊波閥閥體材料為Q235B，約束接管法蘭上螺栓和接墻螺栓材料均為8.8級。閥體工作溫度下各材料相關力學特性見表1[8]。

表1材料的力學特性

2力學模型

主要采用板殼單元和梁單元建立有限元模型，其中，閥體采用殼單元(SHELL181)模擬，連接螺栓采用梁單元(BEAM188)模擬。閥體總質(zhì)量40.55 kg，將閥芯組件的全部質(zhì)量均分在安裝板上，閥體有限元模型如圖2所示，閥體安裝(帶風管)結構的有限元模型如圖3所示。

圖2閥體有限元模型

圖3閥體安裝(帶風管結構)的有限元模型

進行模態(tài)分析時，在閥體與風管連接的法蘭連接螺栓處施加平動位移約束，在閥體與墻體連接位置處施加固定約束。進行抗震分析時，閥體一端連接長1.5 m的風管并固定約束風管末端面，一端連接墻體位置處加固定約束。約束情況分別如圖2和圖3所示。

3載荷條件

輸入載荷包括自重、內(nèi)壓、檢修人員活載荷、風管載荷、流體動量載荷、地震載荷等。對應參數(shù)取值分別為：自重40.55 kg；設計壓力10 kPa，沖擊波壓力21 kPa；檢修活載70 kg；流體動量載荷20 m/s；對于地震載荷，根據(jù)設計方提供的文件，該閥體的基階頻率大于33 Hz。依照相關規(guī)范，對基頻大于33 Hz的模型采用等效靜力法進行抗震分析。所提供的運行基準地震(OBE)載荷三個方向均為3.2 g，安全停堆地震(SSE)載荷三個方向均為4.0 g。

根據(jù)ASME AG-1“核電廠空氣和氣體處理”，結合閥體應用過程中承受的載荷，抗震分析的載荷組合見表2。考慮到閥體工作的實際狀態(tài)，在沖擊波載荷對應的使用等級下(即表中C2載荷組合)，閥門處于關閉狀態(tài)，在其他使用等級下，閥門處于開啟狀態(tài)。

表2載荷組合

DW：重量； Ps：設計壓力；FML：流體動量載荷；L: 閥門人員檢修時負荷；EL：外部風管載荷；OBE：運行基準地震；SSE：安全停堆地震；Pc：沖擊波載荷。

4計算結果及評定

4.1模態(tài)分析結果

采用Block Lanczos方法進行模態(tài)分析，計算得到閥體結構的一階固有頻率為266.5 Hz，驗證了使用等效靜力法的合理性。表3給出了防沖擊波閥閥體X、Y、Z三方向模態(tài)參與質(zhì)量較大的頻率值，相應的振型如圖4～圖6所示?？梢婇y體第一階模態(tài)是Z向參與質(zhì)量最大的模態(tài)。

表3固有頻率

圖4X向參與質(zhì)量最大振型

圖5Y向參與質(zhì)量最大振型

圖6Z向參與質(zhì)量最大振型

4.2地震響應計算結果

在結構三個方向分別輸入OBE和SSE地震載荷，將X、Y和Z三個方向的計算結果采用平方和的平方根(SRSS)方法進行振型組合，得到閥體在地震載荷作用下的薄膜應力和薄膜加彎曲應力，即結構在地震作用下的應力，結果見表4。

表4地震載荷下的應力響應(MPa)

4.3應力計算結果及評定

根據(jù)ASMEAG-1規(guī)范[2]，將閥體在自重、內(nèi)壓、檢修人員活載荷、風管載荷、流體動量載荷、地震載荷等條

件下的計算結果按照表2所示方法進行載荷組合，得到各使用等級下閥體的應力計算與評定結果，見表5。從表5可知，該閥體的薄膜應力和薄膜加彎曲應力都小于相應的應力限值，滿足規(guī)范的要求。

表5模型最大應力計算結果及評定(MPa)

4.4變形計算結果及評定

對防沖擊波閥閥體在各使用等級下的變形進行了有限元分析，計算所得的結構最大變形見表6。從表6可知，在各級工況下計算的最大變形值都小于變形限值，故該閥體的變形滿足ASME規(guī)范的要求。表中dmax=5mm，為閥芯螺栓到框架的最小距離。

表6模型最大變形計算結果及評定

4.5連接螺栓評定

防沖擊波閥閥體與接管法蘭通過8個M10的螺栓連接，與墻體通過12個M16的螺栓連接，根據(jù)ASME第III卷NF分卷[9]對螺栓在各使用等級下所受到的載荷條件進行評定。經(jīng)過計算，各使用等級下螺栓的最大拉伸應力、最大剪切應力和橢圓方程最大值分別見表7～表8。表中，ft為計算的拉伸應力，fv為計算的剪切應力，F(xiàn)tb為螺栓的許用拉伸應力，F(xiàn)vb為螺栓的許用剪切應力，Su為抗拉強度。由表7和表8可知，連接螺栓的設計滿足規(guī)范要求。

表7連接螺栓M10的應力評定(MPa)

表8連接螺栓M16的應力評定(MPa)

5結束語

在考慮重力、壓力、檢修活載及地震載荷等條件下利用ANSYS軟件對核電站用某型防沖擊波閥閥體進行了力學分析，并根據(jù)ASME規(guī)范進行應力評定和強度校核。結果表明，防沖擊波閥閥體的應力、變形以及各連接螺栓均滿足抗震設計相關規(guī)范要求，研究結果具有良好的工程應用價值。

[1] RCC-M,Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].2007.

[2] ASME AG-1,Nuclear air and gas treatment[S].

[3] GB 50267-97,核電廠抗震設計規(guī)范[S].

[4] 侯碩,賈曉峰.壓水堆核電站燃料廠房核燃料轉運系統(tǒng)的抗震分析[J].核科學與工程,2013,33(3):314-320.[5] 徐志新,葛黎明.核級風閥抗震分析[J].閥門,2015(3):23-25.

[6] 毛飛,閔鵬,周肖佳,等.核主泵電機抗震分析[J].地震工程與工程振動,2012,32(5):55-59.

[7] 劉浩.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[8] 徐灝.機械設計手冊(第4卷)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[9] ASME boiler and pressure vessel code,section III,rules for construction of nuclear facility components,division 1,subsection NF,supports[S].2010.

Seismic Analysis for an Explosion-proof Valve Used in Nuclear Power Plant

LUOJuan,LUOJiacheng,SUNLei

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China)

Based on finite element method, the seismic analysis for an explosion-proof valve used in Unit 3, 4 of Tianwan nuclear power plant has been conducted. The natural frequency, vibration mode and seismic response of the structure have been obtained through calculation, and the stress and strain evaluation under the combined loading of gravity, internal pressure, blast and seismic load has been done according to ASME AG-1. The bolts of the structure have been qualified according to ASME III-NF as well. The results show that the design of the explosion-proof valve is in compliance with the requirement of corresponding codes.

explosion-proof valve; finite element method; seismic analysis; stress evaluation

2016-03-31

羅 娟(1988-),女,四川成都人,助理研究員,碩士,主要從事反應堆結構力學方面的研究,(E-mail) juanmeier091188@163.com

1673-1549(2017)02-0059-04

10.11863/j.suse.2017.02.12

TM623

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