閥門強度分析和抗震檢驗方法的探討

趙銀龍

哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司 黑龍江哈爾濱 150000

核電站使用閥門有相當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力作用，閥門地震載荷的分析一般采用有限元分析軟件進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的應力值，然后根據(jù)評定原則來校核閥門承壓邊界零件的應力強度。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 仿真分析

將閘閥全部零件進行立體建模，并確定每個零件的密度以得到閥門的精確質量。在進行應力分析時，如果在閥體的一端施加固定約束，而端部應力得不到有效釋放，將在閥體端面位置產(chǎn)生應力奇異，最大應力可達2000MPa，這顯然與現(xiàn)實情況相違背。根據(jù)相關經(jīng)驗及規(guī)定，可以在閥體進口處增加一過渡管（過渡管長度為入口管徑的2～5倍），在過渡管入口施加固定約束，使應力奇異發(fā)生在管道入口。而評價分析結論時，只考核閥門的受力情況，忽略過渡管入口上出現(xiàn)的誤導結論。這樣可以真實模擬閥體的受力情況，得出相對準確的應力分析值。在ASME法規(guī)中，著重關注閥門承壓邊界的受力情況。因此，只取閥體、閥蓋和過渡管組成的裝配體為研究對象。在閥體右側的中腔與支管交界位置，根據(jù)經(jīng)驗劃分出3條閥體的應力評定線。同時將模型轉化到ANSYSWorkbench軟件中。在ANSYS軟件中，對閥體、閥蓋、過渡管賦予材料屬性，對支架、過渡頭和執(zhí)行機構等省略掉的零件以一個有質量的點代替，并選擇閥體與閥蓋相接觸的表面作為支撐質量點位置的平面。分別選取過渡管與閥體、閥體與閥蓋相接觸的表面為零件間的接觸面，選擇約束類型為bonded綁定約束。對模型進行網(wǎng)格劃分處理，同時進行網(wǎng)格收斂性驗證。設定熱應力分析參數(shù)，選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質相接觸的表面設定設計溫度，選擇閥體的外表面確定對流換熱系數(shù)。在結構分析選項中輸入Z軸方向重力加速度9806.6mm/s2，在X、Y軸輸入OBE和SSE等效重力加速度的地震載荷，用于考慮B、D等工況下的地震載荷輸入。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸方向分別輸入技術規(guī)格書要求的管道反作用力和扭矩。計算得出應力評定線上的薄膜應力和薄膜加彎曲應力[1]。

2 閥門強度分析和抗震檢驗方法的探討

2.1 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，螺栓提供一定的預緊力，保證閥門在介質載荷、地震載荷及其他多種組合載荷的作用下閥門的結構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構的偏心導致，外伸機構的質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緊力，來保證閥門密封性及承壓邊界完整性。

2.2 CAD參數(shù)化技術

傳統(tǒng)幾何造型的方法在設計初期就要確定模型的幾何關系，且在后續(xù)操作中如需修改只能重新設計，容錯率很低，明顯增大了工作量。而參數(shù)化技術在處理結構相似或相同的三維產(chǎn)品模型時，通過對參數(shù)的修改便可以更改設計圖形的尺寸以及相互之間的配合以及公差關系，使得所設計的產(chǎn)品重新自動生成，這顯著的提高了設計效率[2]。

2.3 設備描述

核級安全殼隔離閥在核電站中屬于安全級關鍵設備。其在核電站中的主要功能是作為安全屏障閥使用。同時，在某些工況下，核級通風隔離閥及其系統(tǒng)則為核島通風和排風系統(tǒng)進行工作，排出安全殼廠房的熱風，即：①系統(tǒng)正常運行時，核級通風隔離閥充當了通風系統(tǒng)控制部件，根據(jù)系統(tǒng)要求，或開，或關；②系統(tǒng)檢修時，閥門處于關閉狀態(tài)；③當核島反應堆出現(xiàn)事故時，閥門快速關閉，切斷安全殼與外界的聯(lián)系，亦或事故狀態(tài)部分閥門開啟，進行排風作業(yè)，直至人員全部撤離后，所有安全殼配套的核級安全殼隔離閥全部關閉。④安全殼隔離閥工作原理閥體為靜止部件，閥板通過花鍵與軸固定連接，閥軸和驅動裝置之間用花鍵連接，閥軸上下兩端用軸承支撐，閥門動作時，驅動裝置帶動閥軸，閥軸帶動閥板，實現(xiàn)閥門的啟閉。安全殼隔離閥的驅動裝置主要由電動裝置（附手動）、絲桿、曲柄機構、電磁離合器、彈簧缸等組成，執(zhí)行啟閉動作時，執(zhí)行器驅動蝸輪通過電磁離合器帶動滾珠絲杠運動，通過軸套帶動蝶板轉動，驅動裝置采用了不等速連桿式驅動機構。在定速定力矩操作時，連桿機構不等速運行，驅動裝置具有小力矩快速回轉，大力矩低速啟閉閥門的特殊性能，操作過程中及閥門打開后執(zhí)行機構內的電磁離合器帶電，通過與蝸輪蝸桿副的嚙合達到自鎖，而使閥門的蝶板停留在任何位置。打開過程中執(zhí)行機構內的彈簧被逐漸壓縮儲能，當閥門需要關閉時，通過控制室指令使電磁離合器斷電，執(zhí)行機構失去電磁離合器的控制在壓縮彈簧的推動下帶動閥板運轉，實現(xiàn)閥門快速關閉[3]。

3 結語

①進一步加快計算機輔助設計CAD參數(shù)化技術和CAE技術對閥門設計的應用和理解，加快完善參數(shù)化系統(tǒng)以及參數(shù)化裝配技術，提高閥門設計能力。②核級閥門強度計算方法可以按照與RCC－M規(guī)范和ASME規(guī)范中大體的框架來進行，具體細節(jié)、具體問題等需要依據(jù)其工程經(jīng)驗及實際需求進行處理，同時，所用材料、焊接鍛造工藝、誤差控制范圍、腐蝕裕量等是有區(qū)別的，這些需要通過大量的試驗、調研來完成。