核電站閥門抗震分析與計算

周長寶

（安策閥門（太倉）有限公司，江蘇太倉215400）

0 引 言

核電站使用閥門有相當(dāng)部分會有抗震等級要求，閥門在地震過程中，地震載荷對閥門承壓邊界會產(chǎn)生一定影響，核電站使用的閥門必須能承受地震載荷給閥門帶來的應(yīng)力作用，閥門地震載荷的分析一般采用有限元分析軟件進(jìn)行閥門固有頻率分析，然后用等效靜力法來計算地震載荷引起的壓力，并將等效壓力與工作壓力疊加后計算與其總壓力所對應(yīng)的應(yīng)力值，然后根據(jù)評定原則來校核閥門承壓邊界零件的應(yīng)力強(qiáng)度。本文以核級旋塞閥為例分析了閥門的固有頻率計算，同時對閥門的抗震分析的一般過程做了論述，不同的閥門類型計算過程略有不同。

1 閥門設(shè)計參數(shù)與材料

該閥門為核安全2級，抗震1A類旋塞閥，閥門的公稱通徑為DN80,接管尺寸為φ88.9×5.5 mm,閥門的公稱壓力為Class150,閥門的設(shè)計壓力為1.33 MPa，水壓強(qiáng)度試驗壓力為2.66 MPa，設(shè)計溫度為150 ℃。

該旋塞閥的組裝圖如圖1所示，主要由閥體、閥瓣、閥蓋、下閥蓋、執(zhí)行器支架、電動執(zhí)行器、螺栓螺母組成。閥門質(zhì)量為100 kg，其中電動執(zhí)行器的質(zhì)量為51 kg。閥體、旋塞、閥蓋、下閥蓋材料均為Z2CND17-12，閥蓋螺栓及下閥蓋螺栓材料為X6CrNiCu17-04, 螺母材料為X12Cr13。計算所取材料參數(shù)如表1所示。

表1 閥門結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2 閥門固有頻率

采用有限元分析軟件進(jìn)行閥門的固有頻率計算，首先要簡化三維模型，取消一些復(fù)雜倒角或者溝槽區(qū)域，因為模型過于復(fù)雜會影響到模型的網(wǎng)格劃分，最終導(dǎo)致計算結(jié)果的不準(zhǔn)確。三維模型簡化完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后選用合適的固有頻率分析求解器完成閥門固有頻率的計算。只有在閥門的固有頻率大于33 Hz的情況下，才可以使用等效靜力法來做閥門的抗震分析[1]。

3 載 荷

閥門的載荷包括自重、內(nèi)壓、管道載荷、地震載荷等[2]。

3.1 管道載荷

管道傳遞給閥體的載荷被稱為管道載荷。如果閥門的管道載荷大小在設(shè)計規(guī)格書中并沒有提供，我們可以依據(jù)RCC-M C3552確定閥門的管道載荷[3]，即：

式中：Cb為彎曲載荷的應(yīng)力指數(shù)；ri為閥門支管內(nèi)徑，mm；Tr為閥門支管壁厚，mm；Gb為閥體支管處慣性模量；Fb為連接管道的慣性模量；De為管道外徑，mm；Di為管道內(nèi)徑，mm。

3.2 地震載荷

閥門整機(jī)包括外伸機(jī)構(gòu)的最低自振頻率大于33 Hz的閥門，其抗震計算可采用等效靜力法，即將等效的地震加速度引起的靜載荷施加于外伸機(jī)構(gòu)的重心上，且考慮空間正交三個方向的等效地震載荷同時作用。地震會給閥門帶來水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3個方向上的加速度,重力加速度是g=9.81 m/s2，地震載荷的作用如圖2所示。

3.3 自重

自重載荷的施加方式為在垂直Y方向施加1g的重力加速度。

3.4 工況及載荷組合

由地震產(chǎn)生的載荷及其他載荷（例如內(nèi)壓、自重、管道載荷等）產(chǎn)生的應(yīng)力分量或附加載荷組合如表2所示。 其中地震載荷包括OBE運行基準(zhǔn)地震載荷，以及SSE安全停堆地震載荷。

表2 地震作用下的閥門載荷組合

閥門的各個工況下載荷一般不會逐一計算校核，一般會取包絡(luò)的嚴(yán)酷工況來完成計算，如表3所示。

表3 嚴(yán)酷工況下的閥門載荷組合

4 應(yīng)力計算與評定

主要針對影響閥門承壓邊界的閥體、閥蓋及閥蓋螺栓進(jìn)行應(yīng)力校核計算。

4.1 閥體

按照RCC-M C3550章節(jié)對閥體的一次薄膜和一次薄膜加彎曲應(yīng)力進(jìn)行計算分析[3]。

閥體一次薄膜應(yīng)力計算公式為

閥體一次薄膜+彎曲應(yīng)力計算公式為

式中：σm為閥體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；σb為閥體彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；Af為閥體拐角區(qū)面積，mm2；Am為有效金屬面積，mm2；ri為閥體拐角區(qū)的內(nèi)半徑，mm；r為閥體拐角區(qū)平均半徑，mm；Ps為介質(zhì)壓力，MPa。

計算出的閥體一次薄膜+彎曲應(yīng)力值與該閥體材料設(shè)計溫度下對應(yīng)的許用應(yīng)力比較，滿足計算值小于許用值。各工況下的應(yīng)力許用強(qiáng)度值如表4所示。表4中：S為基本許用應(yīng)力值，MPa；Sy為屈服強(qiáng)度，MPa。

表4 閥體各工況許用應(yīng)力值

4.2 閥蓋

閥蓋在閥門中屬于承壓零件，可以采用RCCMC3324章節(jié)來計算，閥蓋的計算需要同時考慮閥蓋螺栓的力矩，因此一般在計算閥蓋的同時，需要先計算閥蓋螺栓在各個工況下的力矩情況。然后依據(jù)RCCM-C3324章節(jié)來計算出在各工況下需要的最小閥蓋厚度。閥蓋的材料與閥體材料相同，因此計算時所使用的許用應(yīng)力值與表3中一致。計算評定的準(zhǔn)則是，閥蓋的實際厚度大于所需厚度即可[3]。

4.3 閥蓋螺栓

閥蓋螺栓的主要作用是保證閥門的閥蓋和閥體的連接，螺栓提供一定的預(yù)緊力，保證閥門在介質(zhì)載荷、地震載荷及其他多種組合載荷的作用下閥門的結(jié)構(gòu)完整及墊片的有效密封。保證閥門承壓邊界安全性及閥門密封性。在閥門地震工況下螺栓的受力主要是由于外伸機(jī)構(gòu)的偏心導(dǎo)致，外伸機(jī)構(gòu)的質(zhì)量在三個方向上的加速度的作用下，使得連接螺栓需要提供更大的預(yù)緊力，來保證閥門密封性及承壓邊界完整性[4]。

4.3.1 地震等效壓力

對于閥蓋螺栓，按照RCC-M規(guī)范中ZV200規(guī)定的方法來評定，設(shè)計壓力為1.33 MPa，等效壓力主要來自于地震載荷作用下產(chǎn)生的慣性力。等效壓力與工作壓力疊加后計算總壓力所對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力。等效壓力計算公式為：

式中：Peq為地震等效壓力，MPa；Dj為墊片平均直徑，mm；Mf為彎曲力矩，N·mm；Fa為外載荷軸向力，F(xiàn)a=Fy，N。

4.3.2 預(yù)緊力計算

螺栓預(yù)緊力的計算需要計算三個預(yù)緊力，分別是保證螺栓實現(xiàn)墊片密封所需要的預(yù)緊力Fs0、保證螺栓不受剪切力所需要的預(yù)緊力Fs0′及試驗工況下的預(yù)緊力Fs(Peh)。按照RCCM-ZV200章節(jié)去計算Fs0、Fs0′、Fs(Peh)[5]。

螺栓實際提供的預(yù)緊力Fsi計算公式為

式中：Csi為單個螺栓實際提供的力矩，N·mm；Pas為螺栓螺距，mm；n為螺栓數(shù)量；Rmoy-f為系數(shù)；Rmoy-a為系數(shù)。

計算中螺栓材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。通過計算，最終保證螺栓實際提供的預(yù)緊力Fsi均大于Fs0、Fs0′及Fs(Peh)。即驗證了螺栓的選型合理，可以提供足夠的力，保證閥蓋與閥體之間的墊片可以實現(xiàn)正常密封，在各載荷作用下螺栓不受剪切作用，以及滿足試驗工況下閥門的墊片密封等[6]。

5 結(jié) 論

本文以核電站用旋塞閥為例，分析了在各個工況下的強(qiáng)度計算，提供了一種在包括地震載荷作用下的各工況的閥門承壓邊界的強(qiáng)度計算思路和方法。提供了一種理論依據(jù)和技術(shù)支持，其計算方法和步驟是可行有效的。