地震載荷對核電閥門可運(yùn)行性影響機(jī)理研究

俞樹榮 李 尤 薛睿淵 馬子睿

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

核電閥門作為核電廠管道系統(tǒng)的重要組成，能否在地震期間實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能關(guān)系著整個(gè)核電管道系統(tǒng)能否正常運(yùn)行［1］。 地震期間部分閥門要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成閉合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)緊急切斷管內(nèi)介質(zhì)的功能，僅通過結(jié)構(gòu)完整性對其進(jìn)行抗震鑒定存在一定的局限， 功能完整性也必須考慮。功能完整性是指能動(dòng)機(jī)械設(shè)備在地震工況下仍能保持可運(yùn)行性。 工程實(shí)踐中多采用試驗(yàn)法評價(jià)地震時(shí)核電閥門的可運(yùn)行性［2～4］，然而研究過程僅關(guān)注閥門能否通過地震試驗(yàn)，受試驗(yàn)條件限制并未討論地震對閥門可運(yùn)行性的影響機(jī)理。 此外，通過試驗(yàn)鑒定會(huì)延長閥門的生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)成本，而且相較于試驗(yàn)法，分析法更加經(jīng)濟(jì)、簡便，更有利于在設(shè)計(jì)階段對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試與改進(jìn)。 為了優(yōu)化抗震性能，使設(shè)計(jì)期間能動(dòng)部件穩(wěn)定運(yùn)行，徐慶然等學(xué)者已經(jīng)嘗試?yán)梅治龇▽税踩壉玫群思壞軇?dòng)設(shè)備機(jī)械進(jìn)行可運(yùn)行性分析，主要計(jì)算結(jié)構(gòu)之間的幾何間隙以及碰撞時(shí)的摩擦力矩等，對其可運(yùn)行性進(jìn)行評估［5～7］。 但目前鮮有利用分析法對核電閥門可運(yùn)行性進(jìn)行抗震鑒定的相關(guān)報(bào)道。

為了研究閥門在地震期間的真實(shí)動(dòng)態(tài)行為，薛睿淵對某DN 80 閘閥進(jìn)行了地震模擬試驗(yàn)，但試驗(yàn)過程閥門保持關(guān)閉，沒有探究地震對閥門可運(yùn)行性的影響［8］，筆者以該試驗(yàn)過程中使用的DN 80 閘閥為研究對象，對不同工況下的閉合過程進(jìn)行模擬研究，總結(jié)利用分析法鑒定地震期間核電閥門可運(yùn)行性的方法流程，揭示地震對其可運(yùn)行性的影響機(jī)理。

1 有限元模型建立

1.1 模型建立

安裝有DN 80 閘閥的閥門管道系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示，與文獻(xiàn)［8］中的一致，試驗(yàn)通過施加不同類型的激勵(lì)完成不同的振動(dòng)試驗(yàn)，研究核電站中閥門管道系統(tǒng)在地震期間真實(shí)的動(dòng)態(tài)行為。地震模擬試驗(yàn)使用的DN 80 閘閥及其有限元模型如圖2 所示，閥門的設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa，主要零部件包括閥瓣、閥體、閥蓋、閥桿、連接法蘭、填料壓蓋、軸套，閥門材料為WCB。

圖1 安裝有DN 80 閘閥的閥門管道系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

圖2 閥門三維模型示意圖

試驗(yàn)所用閘閥主要用于截?cái)嗷蚪油ü苈废到y(tǒng)中的介質(zhì)， 通過閥瓣與閥座上的密封面楔入完成閥門的閉合。由圖2 可知，閥門開始閉合動(dòng)作時(shí)，閥桿在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)閥瓣向閥座處的密封面貼合。閉合過程中，閥桿與軸套之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦， 閥瓣在楔入閥座的過程中，承受管道內(nèi)介質(zhì)壓力的作用，將閥瓣壓向密封面，產(chǎn)生彈性變形并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。整個(gè)閉合過程閥瓣的總位移為59.8 mm， 主要有5個(gè)位置發(fā)生了滑動(dòng)摩擦，分別是閥桿與軸套、閥瓣與閥體兩側(cè)導(dǎo)軌、 閥瓣與閥體中閥座兩側(cè)的密封面， 分析過程中將這些地方定義為摩擦接觸。

1.2 邊界條件設(shè)置

閥門在正常工作過程中承受的連續(xù)工作載荷包括設(shè)計(jì)壓力、自重與接管載荷。 DN 80 閘閥的設(shè)計(jì)壓力為3 MPa。閥門接管載荷根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)［1］計(jì)算，管道傳遞的外力矩為226 963 N·mm。閥體兩端施加約束， 介質(zhì)進(jìn)口端設(shè)置固定約束，出口端釋放水平方向的自由度，模擬閥門在管道系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況。 閥門基本載荷設(shè)置如圖3 所示。

圖3 閥門載荷設(shè)置

建立起待分析閥門的有限元模型后首先對其進(jìn)行模態(tài)分析，分析可得該閥門的一階固有頻率為36.37 Hz，第1 階模態(tài)的變形主要基于閥門流道方向的垂直方向（模型y方向），文獻(xiàn)［8］基于修正后的模型計(jì)算的閥門y方向一階固有頻率為34.9 Hz，與模擬計(jì)算結(jié)果相差5%以內(nèi)，證明圖3所示模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本吻合。

2 地震對閥門可運(yùn)行性的影響

本節(jié)通過分析閥門各部件在施加地震載荷前后的應(yīng)力與接觸壓力差異，研究地震對閥門可運(yùn)行性的影響機(jī)理。

假設(shè)該閥門設(shè)計(jì)關(guān)閉時(shí)間為1 s， 設(shè)置閥桿速度為59.8 mm/s 并持續(xù)1 s，保證閥瓣在1 s 時(shí)完全楔入閥座。

計(jì)算所用閘閥模型的第一階固有頻率為36.37 Hz，大于33 Hz，視作剛性閥門，可以使用等效靜力法進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算。 為研究地震對閥門可運(yùn)行性的影響，以1g為步長向閥門施加0g～6g等步放大的地震載荷進(jìn)行地震模擬試驗(yàn)，當(dāng)?shù)卣疠d荷為0g時(shí)，為正常工況。 閥門啟閉動(dòng)作主要由閥桿帶動(dòng)閥瓣完成，運(yùn)動(dòng)過程中與其接觸的部件產(chǎn)生摩擦接觸，同時(shí)，閥門開啟關(guān)閉時(shí)間也是衡量閥門狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)［4］，故本節(jié)主要對閥桿、閥板運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力、摩擦接觸部位的接觸壓力和地震對閉合動(dòng)作的影響三方面進(jìn)行討論。

2.1 閥瓣應(yīng)力及接觸壓力分析

閥門閉合過程中，不同地震載荷下閥瓣最大等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。 觀察圖4可知，閥門正常閉合過程（即不施加地震載荷）閥瓣最大等效應(yīng)力隨著閥門的關(guān)閉逐漸升高，并在0.87 s 時(shí)達(dá)到峰值118.5 MPa， 此時(shí)閥門臨近閉合，但閥瓣還未與閥座密封面發(fā)生接觸，兩側(cè)導(dǎo)軌接觸面積逐漸達(dá)到最小值，在介質(zhì)壓力的作用下產(chǎn)生峰值應(yīng)力，閥瓣接觸到閥座密封面后應(yīng)力迅速下降。 隨著地震載荷幅值的增加，閥瓣最大等效應(yīng)力值被放大，由118.5 MPa 升至148.5 MPa，但峰值出現(xiàn)時(shí)間與正常工況基本相同。

圖4 閥瓣在不同工況下的等效應(yīng)力

在不同地震載荷作用下，閥瓣與導(dǎo)軌閉合過程中的接觸壓力時(shí)程曲線如圖5 所示，接觸壓力變化趨勢受到介質(zhì)壓力與接觸面積的影響，其峰值與閥瓣等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)間相同，地震載荷對接觸壓力具有放大效果。 在地震載荷作用下，閥瓣與導(dǎo)軌處接觸壓力與地震載荷大小呈正相關(guān)， 最大接觸壓力從56.56 MPa 升至74.4 MPa，最大接觸壓力被放大31%。 基于閥門閉合時(shí)的滑動(dòng)方向判斷，接觸壓力屬于法向壓力，接觸壓力的增大會(huì)導(dǎo)致閥門閉合過程受力情況更為苛刻。

圖5 閥瓣在不同工況下的接觸壓力

2.2 閥桿應(yīng)力及接觸壓力分析

閥門閉合過程中，不同地震載荷下閥桿最大等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖6 所示，閥桿在閉合過程中受到閥瓣承受介質(zhì)壓力的影響，等效應(yīng)力隨著閥門的關(guān)閉逐漸升高， 并在0.87 s 時(shí)達(dá)到峰值69.3 MPa。 最大等效應(yīng)力隨著地震載荷幅值增加而增加，當(dāng)?shù)卣疠d荷從0g 提高至6g 時(shí)，其應(yīng)力峰值從69.3 MPa 升至116.9 MPa。

圖6 閥桿在不同工況下的等效應(yīng)力

在不同地震載荷作用下，閥桿與軸套閉合過程中的接觸壓力時(shí)程曲線如圖7 所示。 正常工況中，受到閥瓣承受介質(zhì)壓力的影響，閥桿與軸套之間接觸壓力在臨近閉合時(shí)（0.87 s 左右） 存在18.9 MPa 的峰值。 在地震工況下，地震使閥桿不斷與軸套接觸碰撞產(chǎn)生負(fù)間隙（物體表面法向距離的負(fù)值即滲透值δ），由圖7 可以看出，地震載荷每增加2g，閥桿與軸套接觸壓力增加一倍。 地震載荷由0g 增加到6g 時(shí)，接觸壓力由18.9 MPa增加到52.3 MPa，最大接觸壓力被放大177%。相較于閥瓣與導(dǎo)軌之間的接觸壓力，閥桿與軸套接觸位置壓力對地震載荷變化更為敏感。

圖7 閥桿在不同工況下的接觸壓力

由上述計(jì)算結(jié)果可知，閥桿與軸套之間的接觸壓力的改變與碰撞有關(guān)。 根據(jù)有限元計(jì)算方法中的罰函數(shù)法判斷，導(dǎo)致接觸壓力上升的原因是地震載荷改變了閥桿與軸套之間的滲透值。 罰函數(shù)法適用于計(jì)算柔性體之間的接觸或碰撞現(xiàn)象。當(dāng)接觸發(fā)生時(shí)， 從物體上的點(diǎn)i 將滲透主物體表面，滲透值δi=-gNi，gNi為兩物體之間的法向距離。罰函數(shù)將接觸視為彈簧力元，并通過滲透值來計(jì)算接觸力，即：

其中，k為接觸剛度。

假設(shè)閥桿閉合過程中與軸套的接觸剛度不變，提取閉合過程中閥桿與軸套間隙值的時(shí)程曲線如圖8 所示，由圖7、8 可知，閥桿接觸壓力的改變與滲透值有關(guān)，地震載荷會(huì)使閥門零件之間的滲透值增加，發(fā)生滑動(dòng)位移時(shí)接觸之間的壓力增大。

圖8 閥桿在不同地震載荷下的間隙值

2.3 地震對閉合動(dòng)作影響分析

為進(jìn)一步研究各接觸之間的接觸壓力增加對閥門工作的影響，在不改變其他邊界條件的基礎(chǔ)上， 將位移約束更改為力載荷驅(qū)動(dòng)閥桿運(yùn)動(dòng)。在閥桿上端設(shè)置1 000～10 000 N 逐漸升高的力載荷推動(dòng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)。 該閥門設(shè)計(jì)所能承受的地震載荷為4g， 為保證閥門可以完成閉合動(dòng)作，分別施加0g、2g、4g 的地震載荷進(jìn)行閥門閉合動(dòng)作模擬，閥桿位移時(shí)程曲線如圖9 所示。觀察圖9可知，地震載荷從0g 增加至4g 時(shí)，閥桿位移相同閉合距離所需時(shí)間從1.0 s 延長至1.4 s，根據(jù)2.2節(jié)中的結(jié)果，地震載荷導(dǎo)致各接觸間接觸壓力增加，閥門閉合需要克服更大的摩擦力。

圖9 閥桿位移曲線

綜上， 地震載荷對閥門運(yùn)動(dòng)過程的影響一方面體現(xiàn)在增加各零件的最大等效應(yīng)力， 另一方面， 地震載荷會(huì)放大各零件之間的滲透值和接觸壓力。 滲透值影響接觸壓力， 從而改變克服滑動(dòng)摩擦力所需驅(qū)動(dòng)力。 在實(shí)際生產(chǎn)中，閥門關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)力基本不會(huì)改變， 但關(guān)閉閥門所需要克服的摩擦力會(huì)因?yàn)榈卣疠d荷的增加而增加， 這會(huì)導(dǎo)致閥門開閉合動(dòng)作延后， 特別是對于核電閥門這種需要實(shí)現(xiàn)快關(guān)的閥門， 甚至?xí)?dǎo)致閥門出現(xiàn)卡滯， 無法及時(shí)接通或阻斷介質(zhì)流動(dòng)。

3 抗震鑒定

本節(jié)根據(jù)RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)［1］分別對閥門在閉合動(dòng)態(tài)過程中與關(guān)閉靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行抗震鑒定，通過對比兩種情況的計(jì)算結(jié)果，探究考慮閥門可運(yùn)行性分析與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性分析時(shí)抗震鑒定結(jié)果的差異。

3.1 基于可運(yùn)行性的強(qiáng)度校核

針對核電閥門的閥桿、閥瓣和閥體基于可運(yùn)行性分析的最大等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1， 等效應(yīng)力云圖如圖10 所示。 閥門材料的許用應(yīng)力為133 MPa，由計(jì)算結(jié)果可知，閥瓣在地震載荷大于等于4g 時(shí)超過應(yīng)力限制， 閥體在地震載荷大于等于5g 時(shí)超過應(yīng)力限制， 閥桿最大等效應(yīng)力始終小于應(yīng)力限制。 觀察圖10 可知，在地震載荷作用下， 閥桿應(yīng)力主要集中于底部連接閥瓣處，最大值為116.9 MPa； 閥瓣應(yīng)力主要集中于閥瓣與導(dǎo)軌接觸位置，最大值為148.4 MPa；閥體應(yīng)力主要集中于其內(nèi)部導(dǎo)軌底端，最大值為149.4 MPa。

表1 基于可運(yùn)行性分析的最大等效應(yīng)力表

圖10 地震載荷為6g 時(shí)閥門基于可運(yùn)行性的各零件等效應(yīng)力云圖

3.2 結(jié)構(gòu)完整性分析

對閉合狀態(tài)的閥門進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析，設(shè)置與上文相同的邊界條件， 刪除閥桿的位移約束。 閥桿、閥瓣和閥體最大等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2，等效應(yīng)力云圖如圖11 所示。 由計(jì)算結(jié)果可知，閥體在地震載荷6g 時(shí)超過應(yīng)力限制。 觀察圖11 可知， 閥桿應(yīng)力主要集中于底部， 最大值為47.9 MPa；閥瓣應(yīng)力主要集中于上半部分，最大值為88.7 MPa；閥體應(yīng)力主要集中于閥筋處，最大值為135.8 MPa。

表2 基于結(jié)構(gòu)完整性分析的最大等效應(yīng)力表

圖11 地震載荷為6g 時(shí)閥門基于結(jié)構(gòu)完整性的各零件等效應(yīng)力云圖

綜上，基于可運(yùn)行性分析的計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)完整性分析結(jié)果存在明顯的差異：抗震薄弱點(diǎn)不同；各零件抗震能力不同。 抗震薄弱點(diǎn)不同的原因是閥門將要閉合時(shí)閥瓣與閥體接觸面積最小，導(dǎo)致閥瓣與導(dǎo)軌接觸部位應(yīng)力最大。 基于可運(yùn)行性的抗震鑒定過程更加嚴(yán)苛并且可以完整地觀察到閥門等能動(dòng)機(jī)械設(shè)備工作過程中的應(yīng)力變化，靜態(tài)下的結(jié)構(gòu)完整性分析結(jié)果可能會(huì)小于實(shí)際生產(chǎn)中的校核結(jié)果，具有局限性。

4 結(jié)束語

筆者建立了DN 80 閘閥的數(shù)字模型，采用分析法對閥門可運(yùn)行性進(jìn)行評估，揭示地震危害機(jī)理，總結(jié)了利用分析法對核電閥門進(jìn)行可運(yùn)行性鑒定的方法及參數(shù)，并對整個(gè)閉合過程進(jìn)行應(yīng)力校核。 地震對閥門的影響主要體現(xiàn)在閥桿與軸套之間的滲透值增加（產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象），放大閥桿與閥瓣處接觸壓力，延后閥門閉合動(dòng)作。 在基于分析法對核電閥門進(jìn)行可運(yùn)行性評估時(shí)，可以考慮將接觸壓力、間隙尺寸、滲透值及閉合時(shí)間等作為評估參數(shù)。 在抗震鑒定中，基于可運(yùn)行性的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，比結(jié)構(gòu)完整性評估更加嚴(yán)苛、全面，對保證閥門可靠性、提升核電站安全運(yùn)行有重要意義。