羅娟 羅家成 孫磊
摘 要:核級設(shè)備在設(shè)計安裝時必須對其抗震性能進行安全評定,核安全相關(guān)法規(guī)要求核電廠中所有抗震I類設(shè)備均應(yīng)按安全停堆地震(SSE)進行設(shè)計,進行強度校核以保證結(jié)構(gòu)的完整性;對某些有功能性要求的設(shè)備,還應(yīng)進行變形分析以保證功能完整性。該文采用有限元方法,對某核級防沖擊波閥的抗震安全評定方法進行了研究,按照ASME規(guī)范AG-1卷的設(shè)計準則對結(jié)構(gòu)在地震及與其他載荷組合下的應(yīng)力和變形進行評定,結(jié)果表明,該防沖擊波閥的抗震安全性能滿足規(guī)范的要求。
關(guān)鍵詞:核級防沖擊波閥 有限元 抗震分析 應(yīng)力評定 變形評定
中圖分類號:TM623 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)12(c)-0114-02
核電廠中安全級設(shè)備都應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的強度要求,設(shè)備的地震響應(yīng)尤為重要。某型核級防沖擊波閥安全等級為3級,抗震類別為I類,在設(shè)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(yīng)力分析與評定工作[1-2],從而為防沖擊波閥的抗震設(shè)計提供依據(jù)。
1 結(jié)構(gòu)描述
核電廠采用的某型防沖擊波閥規(guī)格為800 mm×800 mm,由閥芯(框架、葉片、軸、軸承、連桿、彈簧)和支架等組成。閥芯如圖1所示。閥芯迎波面通過同規(guī)格且跨度為100 mm的支架焊接在預埋扁鋼上,一端通過風管固定。
該防沖擊波閥使用的主要材料為:閥門框架、葉片、軸采用304L,支架與風管采用Q235B。材料力學特性見表1。
2 力學模型
2.1 有限元模型
采用ANSYS[3]建立結(jié)構(gòu)有限元模型,其中閥門框架、葉片、支架均采用殼單元(SHELL181),軸、螺栓采用梁單元(BEAM188)。針對閥門關(guān)閉和開啟兩種狀態(tài)分別建立有限元模型,如圖2、圖3所示。
2.2 邊界條件
模態(tài)分析時,在閥門與風管連接法蘭的螺栓位置處施加平動位移約束,支架與墻體連接位置處加固定約束,如圖2和圖3所示。
對于應(yīng)力分析,閥門一端連接長3 m、厚1.5 mm的風管并固定約束風管末端面,支架與墻體連接位置處加固定約束,閥芯與風管連接處加平動位移約束。
3 載荷條件
根據(jù)ASME AG-1[2]中設(shè)備設(shè)計需要考慮的載荷,結(jié)合該閥應(yīng)用過程中實際受載情況,輸入載荷包括:(1)自重(DW):閥芯和支架總質(zhì)量125.7 kg;(2)沖擊波壓力(Pc):21 kPa;(3)檢修活載(L):70 kg;(4)流體動量載荷(FML):20 m/s;(5)風管載荷(EL);(6)地震載荷,根據(jù)設(shè)計文件,該閥基階頻率大于33 Hz。依照規(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。結(jié)構(gòu)的運行基準地震(OBE)載荷3個方向均為3.2 g,安全停堆地震(SSE)載荷3個方向均為4.0 g??拐鸱治龅妮d荷組合見表2。
4 計算結(jié)果分析
4.1 模態(tài)分析結(jié)果
采用Block Lanczos方法進行模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)前三階固有頻率如表3所示。由表3可知,閥門開啟和關(guān)閉結(jié)構(gòu)的一階固有頻率分別為60.48 Hz和86.80 Hz,驗證了使用等效靜力法的合理性。
4.2 應(yīng)力評定方法和結(jié)果
根據(jù)ASME AG-1,板殼型部件的設(shè)計驗證分析方法通常采用基于最大應(yīng)力理論的彈性分析,其控制應(yīng)力是薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,根據(jù)規(guī)范可確定各使用等級下材料的薄膜和彎曲應(yīng)力限值,具體計算結(jié)果見表4。
抗震分析時在結(jié)構(gòu)X、Y和Z三個方向分別輸入OBE和SSE地震載荷,將三個方向的計算結(jié)果采用SRSS方法進行振型組合,再加上各使用等級對應(yīng)的載荷,即可得到各工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果,如表4所示。表中σ1表示薄膜應(yīng)力,σ1+σ2表示薄膜加彎曲應(yīng)力。從表4可知,該閥的薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力都小于相應(yīng)的應(yīng)力限值,滿足ASME規(guī)范的要求。
4.3 變形評定方法和結(jié)果
考慮結(jié)構(gòu)失效的控制模式,對于抗震1類設(shè)備可進一步采用基于最大變形的彈性分析進行變形限制,以確保設(shè)備功能完整性。ASME AG-1中采用設(shè)備功能不被削弱時可能承受的最大變形進行變形限制。
對于所研究的防沖擊波閥,從保守角度,采用葉片外緣與閥門框架內(nèi)壁之間的最小間隙作為變形限制基準,即dmax=5 mm。計算得到各使用等級下結(jié)構(gòu)的變形分析及評定結(jié)果見表5。由表5可以看到,關(guān)閉模型因受到?jīng)_擊波載荷作用其最大變形遠大于開啟模型,但各工況下開啟和關(guān)閉模型的變形均滿足規(guī)范要求。
5 結(jié)語
文章對某核級防沖擊波閥的抗震安全評估方法進行了研究,利用ANSYS軟件,依照ASME規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行了抗震分析和安全評定,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計滿足上述規(guī)范的要求。
參考文獻
[1] GB 50267-97核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[S].1998.
[2] ASME AG-1.Nuclear air and gas treatment[S].2003.
[3] 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.