張浩然 蔣曉紅 馮 浩 尹會全 王宜雪 李樹勛

（1.中廣核工程有限公司；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司；3.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

常規(guī)島汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥的正常運(yùn)行關(guān)系到整個核電機(jī)組能否安全運(yùn)行。 由于地震頻率一般在0.2～33 Hz范圍內(nèi)，若汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥的基頻在此區(qū)間內(nèi)， 調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)易在地震期間引起共振，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥與連接的管道在承受地震載荷時整體結(jié)構(gòu)易受到破壞，進(jìn)而影響調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能［1］。因此，為保證汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥能夠安全可靠運(yùn)行，必須對其進(jìn)行抗震性能分析。 國內(nèi)外學(xué)者在抗震性能分析方面已做了許多研究。 劉平等采用有限元分析方法對核級大口徑電動閘閥的抗震性能進(jìn)行了研究［2］。 沈偉等應(yīng)用ANSYS計算某核級主蒸汽安全閥在地震載荷及設(shè)計載荷組合作用下的應(yīng)力和變形情況［3］。MENG F等對安全閥和彈簧進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，預(yù)測地震荷載作用下的抗震能力［4］。 LI Z H等從固有頻率、振型、位移及應(yīng)力等方面研究了有基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)和無基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能［5］。 SHEN Z R等研究了加強(qiáng)筋高度和鋼管軸壓比對法蘭連接抗震性能的影響［6］。 AN Y T等利用有限元軟件對大型混合氣體壓力控制閥進(jìn)行了抗震分析［7］。很少有人對汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥這一特殊閥門類型的抗震性能進(jìn)行分析研究。

筆者使用ANSYS軟件中靜力學(xué)模塊，采用等效靜力法對DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥在自重、內(nèi)壓及地震載荷下的受力狀態(tài)進(jìn)行了抗震分析計算，并對受力作用的部件進(jìn)行應(yīng)力評定和強(qiáng)度校核，保證調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足抗震要求。

1 汽機(jī)旁路閥工況參數(shù)及性能參數(shù)

DN 300 Class900汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計及工況參數(shù)如下：

公稱通徑 DN 300

壓力等級 Class900

介質(zhì)蒸汽工作溫度 284.4 ℃/303.3 ℃

連接形式 BW/RF

DN 300 Class900汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥主要零部件材料物理性能參數(shù)和設(shè)計溫度下力學(xué)性能參數(shù)見表1、2。

表1 主要金屬部件材料物理性能參數(shù)

表2 主要金屬部件材料設(shè)計溫度下的力學(xué)性能參數(shù)

2 抗震相關(guān)理論

當(dāng)調(diào)節(jié)閥的基頻大于33 Hz時， 基于等效靜力法在ANSYS軟件中使用靜力學(xué)模塊進(jìn)行抗震分析。 假設(shè)設(shè)備是剛性并在質(zhì)心位置受到一個恒定均勻的等效加速度作用［8］。 則設(shè)備受到的地震輸入能被簡化成一個等效靜力作用，等效靜力計算公式如下：

式中 F——作用在旁路閥質(zhì)心上的地震力，N；

G——旁路閥的總重力， 包括相關(guān)附件的自重，N；

g——重力加速度，m/s2；

Sa——設(shè)備受到地震作用的峰值加速度，m/s2；

η——影響系數(shù)，常取1.5。

3 數(shù)值仿真計算

3.1 汽機(jī)旁路閥模型建立

筆者所研究的汽機(jī)旁路閥幾何模型如圖1所示。

圖1 汽機(jī)旁路閥幾何模型主視圖和剖視圖

3.2 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

對汽機(jī)旁路閥幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格質(zhì)量對計算精度和計算成本的影響，通過不斷細(xì)化網(wǎng)格以保證相鄰網(wǎng)格密度之間具有較小的數(shù)值分析誤差。 對旁路閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，結(jié)果列于表3。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

根據(jù)表3所列結(jié)果， 最終確定以網(wǎng)格單元數(shù)645 921， 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)1 402 665的模型作為汽機(jī)旁路閥有限元分析的網(wǎng)格模型，具體如圖2所示。

圖2 汽機(jī)旁路閥網(wǎng)格模型主視圖和剖視圖

3.3 載荷及邊界條件

根據(jù)汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥的實際工況， 對其進(jìn)、出口端面施加固定約束；對調(diào)節(jié)閥施加g=9.8 m/s2的重力加速度；對閥體與介質(zhì)接觸表面施加設(shè)計壓力15 MPa；分析時，ASME QME-1《核電廠能動機(jī)械設(shè)備鑒定》 中QR-6300要求沿閥門水平方向和豎直方向分別加載6g（g=9.8 m/s2）的靜態(tài)當(dāng)量地震載荷；根據(jù)閥門中法蘭密封設(shè)計中對法蘭螺栓力的計算，對每個中法蘭螺栓施加預(yù)緊力192 308 N。

4 結(jié)果分析

4.1 模態(tài)分析結(jié)果

通過ANSYS 軟件中Modal 模塊對DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥進(jìn)行模態(tài)分析， 由計算知，DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥的前6階模態(tài)自振頻率見表4，模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 前6階模態(tài)振型

表4 DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥前6階自振頻率

由模態(tài)分析結(jié)果可知，DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥的基頻為93.06 Hz， 大于地震截斷頻率值（33 Hz），在閥門、驅(qū)動裝置承受地震載荷時整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振，滿足核電閥門的剛性結(jié)構(gòu)要求，故可基于等效靜力法對汽機(jī)旁路閥進(jìn)行抗震分析。

4.2 抗震分析結(jié)果

4.2.1 整體應(yīng)力分析通過有限元計算分析， 得到汽機(jī)旁路閥在載荷作用下整體外部和內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布云圖（圖4、5）。由圖4可知，DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥最大應(yīng)力值為251.42 MPa， 最大應(yīng)力分布在中法蘭螺栓表面，在閥體內(nèi)表面結(jié)構(gòu)過渡處應(yīng)力偏大，其他區(qū)域應(yīng)力值相對較小。 在極大應(yīng)力位置處進(jìn)行應(yīng)力評定， 對于應(yīng)力較小且滿足強(qiáng)度要求的部位不評定。 由圖5可知，閥塞部件、閥座部件和迷宮部 件 應(yīng) 力 分 布 較 均 勻。 由 圖4、5 可 知，DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥整體的變形從支架底部到驅(qū)動裝置頂端逐漸增大，且過渡較均勻，閥門整體最 大變形0.58 mm，分布在驅(qū)動裝置防水帽頂端。

圖4 閥門整體外部應(yīng)力和變形分布云圖

圖5 閥門整體內(nèi)部應(yīng)力和變形分布云圖

4.2.2 閥體應(yīng)力分析

結(jié)合閥門整體應(yīng)力分析結(jié)果和圖6可知，閥體最大應(yīng)力分布在閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，最大應(yīng)力值為141.86 MPa，大于閥體材料WC9的許用應(yīng)力值133 MPa，需對超應(yīng)力部位進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定， 以保證閥門在地震載荷下滿足強(qiáng)度要求。

閥體局部超應(yīng)力部位出現(xiàn)在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，根據(jù)ASME BPVC-Ⅲ《核設(shè)施部件建造規(guī)則 第一冊 NB分卷》 中NB-200與N-3500中的相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定。 圖7為閥體最大應(yīng)力處的線性化評定圖，對由點(diǎn)1至點(diǎn)2路徑進(jìn)行應(yīng)力評定，等效線性化評定線如圖8所示，彎曲應(yīng)力自中向兩側(cè)逐漸增大，且呈對稱變化，內(nèi)外壁的應(yīng)力值最大，為64.47 MPa；薄膜應(yīng)力沿厚度方向均勻分布，為56.14 MPa；薄膜加彎曲應(yīng)力在閥體內(nèi)壁面處有最大值，為119.20 MPa。應(yīng)力評定結(jié)果均滿足要求（表5）。 表中S為閥體材料WC9的許用應(yīng)力，其值為133 MPa。

圖7 最大應(yīng)力處等效應(yīng)力線性化云圖

圖8 閥體最大應(yīng)力處等效應(yīng)力線性化評定數(shù)據(jù)圖

表5 閥體應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果

4.2.3 閥蓋應(yīng)力分析

結(jié)合閥門整體應(yīng)力分析結(jié)果和圖9可知， 閥蓋螺栓孔區(qū)域應(yīng)力相對較大，最大應(yīng)力值121.88 MPa，小于閥蓋材料WC9的許用應(yīng)力值133 MPa， 滿足強(qiáng)度要求。

圖9 閥蓋應(yīng)力分布云圖

4.2.4 閥桿應(yīng)力分析

結(jié)合閥門整體應(yīng)力分析結(jié)果和圖10可知，閥桿上端與夾塊連接部位應(yīng)力相對較小，最大應(yīng)力值為33.02 MPa，分布于閥桿上端與填料壓蓋接觸部位， 小于閥桿材料660的許用應(yīng)力值248 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖10 閥桿應(yīng)力分布云圖

4.2.5 中法蘭螺栓應(yīng)力分析

旁路閥中法蘭螺栓拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分析結(jié)果分別如圖11、12所示， 最大拉應(yīng)力與最大剪應(yīng)力均分布在與閥蓋接觸的表面位置，最大拉應(yīng)力值為265.56 MPa，最大剪應(yīng)力值為18.48 MPa。

圖11 中法蘭螺栓拉應(yīng)力分布云圖

圖12 中法蘭螺栓剪應(yīng)力分布云圖

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 螺栓拉應(yīng)力不超過0.7Su和Sy中的較小值，螺栓剪應(yīng)力不超過0.42Su和0.6Sy中的較小值。 對于承受剪力和拉伸組合的載荷的螺栓，具體評定內(nèi)容見表6。

表6 中法蘭螺栓應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果

4.2.6 支架應(yīng)力分析

結(jié)合閥門整體應(yīng)力分析結(jié)果和圖13可知，支架下缸蓋部分應(yīng)力相對較小，支架最大應(yīng)力值為73.24 MPa， 分布在防轉(zhuǎn)桿限位平板頂部位置，小于支架材料WCB的許用應(yīng)力值129 MPa， 滿足強(qiáng)度要求。

圖13 支架應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論

5.1 對DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥進(jìn)行模態(tài)分析， 計算得到閥門第1階自振頻率為93.06 Hz，大于地震截止頻率33 Hz，可認(rèn)為是剛性結(jié)構(gòu)，在地震發(fā)生時閥門和驅(qū)動裝置整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振，滿足抗震設(shè)計要求。

5.2 對DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥進(jìn)行抗震分析，計算得到閥門的整體最大應(yīng)力為251.42 MPa，計算所得最大變形量為0.58 mm。 根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)對承壓邊界部件進(jìn)行應(yīng)力評定和強(qiáng)度校核，閥體、 閥蓋、 閥桿、 支架最大應(yīng)力分別為141.86、121.88、33.02、73.24 MPa，中法蘭螺栓最大拉應(yīng)力為265.56 MPa，最大剪應(yīng)力為18.48 MPa，均滿足抗震強(qiáng)度要求。

5.3 根據(jù)以上分析計算， 得出DN 300 Class900汽機(jī)旁路閥為剛性結(jié)構(gòu)且滿足抗震強(qiáng)度要求。