核級(jí)大口徑電動(dòng)閘閥抗震性能的研究

劉 平,湯曉剛,孫佳麗,高志崗,楊理烽,張 衛(wèi)

(1.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司,江蘇 蘇州 215151;2.中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

福島核電站泄漏事故,不僅讓全世界對(duì)核電安全性有所質(zhì)疑,也讓各國(guó)開(kāi)始重新審視各自的核安全狀況。我國(guó)提升了核電的安全標(biāo)準(zhǔn),在研發(fā)和生產(chǎn)核電設(shè)備時(shí),要求必須進(jìn)行抗震能力評(píng)估,確保核電設(shè)備在遇到如地震等重大事故時(shí)能保持結(jié)構(gòu)完整。

1 抗震要求

核電閥門(mén)作為核電站中重要的安全設(shè)備,必須能承受核電站壽命內(nèi)的使用載荷和地震載荷,三代核電 “華龍一號(hào)”規(guī)定有抗震要求的閥門(mén)應(yīng)能夠滿足SL-1(運(yùn)行基準(zhǔn)地震動(dòng))在3個(gè)方向同時(shí)作用4.8g,SL-2(極限安全地震動(dòng))在3個(gè)方向同時(shí)作用6g的要求,且閥門(mén)的一階固有頻率應(yīng)大于33 Hz。

2 大口徑電動(dòng)閘閥抗震特性

大口徑電動(dòng)閘閥具有行程大,啟閉力矩大的特點(diǎn),導(dǎo)致選取的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有力矩大和質(zhì)量重的特點(diǎn)。

對(duì)于有抗震要求的大口徑電動(dòng)閘閥,保證其抗震性能的措施主要有以下幾個(gè)方面:

1)降低分塊及整機(jī)重心和高度;

2)增大各分塊截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

3)增大危險(xiǎn)截面面積、抗彎模量和抗扭模量。

3 采用卡箍形式連接的應(yīng)用實(shí)例

如 “華龍一號(hào)”主給水隔離閥 (見(jiàn)圖1)公稱(chēng)通徑:DN450、公稱(chēng)壓力:900 Lb,屬于大口徑電動(dòng)高壓閘閥,中腔連接處采用卡箍形式連接[1-2]。

圖1 主給水隔離閥Fig.1 Main feedwater isolation valves

其行程為384 mm,啟閉力矩為4 280 N.m,整機(jī)高度達(dá)到2 483 mm,且電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量達(dá)到479 kg,這對(duì)閥門(mén)的抗震性能的保證提出了很高的要求。

4 卡箍與傳統(tǒng)中法蘭連接對(duì)比分析

4.1 理論分析

中腔連接采用卡箍形式連接 (見(jiàn)圖2)和中法蘭形式連接 (見(jiàn)圖3),分別從整機(jī)高度、重量、縱向重心和危險(xiǎn)截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表4。

圖2 卡箍分型面Fig.2 Dangerous section of hoop structure

圖3 法蘭分型面Fig.3 Dangerous section of flange structure

表1 整機(jī)高度對(duì)比Table 1 Height comparison

表2 整機(jī)及主要零件重量對(duì)比Table 2 Weight comparison

表3 縱向重心尺寸對(duì)比Table 3 Longitudinal center of gravity comparison

表4 危險(xiǎn)截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)比Table 4 Rotary inertia of dangerous section comparison

由表1～表4可以得知,主給水隔離閥中腔處采用卡箍連接相較于傳統(tǒng)中法蘭連接降低了整機(jī)高度,減輕了整機(jī)的重量,降低了分塊和整機(jī)的重心,增大了危險(xiǎn)截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,且通過(guò)理論計(jì)算卡箍結(jié)構(gòu)一階固有頻率為45 Hz,傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)一階固有頻率為41 Hz。即從理論分析角度可以得出主給水隔離閥中腔采用卡箍結(jié)構(gòu)的固有頻率大于傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)的固有頻率,更有利于保證閥門(mén)的抗震性能[3]。

4.2 有限元分析

分析模型為主給水隔離閥中腔采用卡箍 (見(jiàn)圖4)和中法蘭 (見(jiàn)圖5)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)模型,將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置為一個(gè)質(zhì)點(diǎn),并設(shè)置閥門(mén)進(jìn)出口端的約束條件為固定約束,再對(duì)兩個(gè)模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分,卡箍結(jié)構(gòu)主給水隔離閥劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)為72 104,節(jié)點(diǎn)數(shù)為118 984;中法蘭結(jié)構(gòu)主給水隔離閥劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)為49 899,節(jié)點(diǎn)數(shù)為86 876。

圖4 卡箍網(wǎng)格單元格劃分Fig.4 Mesh of hoop structure

圖5 法蘭網(wǎng)絡(luò)單元格劃分Fig.5 Mesh of flange structure

通過(guò)運(yùn)算分別得到主給水隔離閥兩種不同中腔連接形式的固有頻率,具體結(jié)果為卡箍結(jié)構(gòu)固有頻率分析結(jié)果 (見(jiàn)圖6)和中法蘭結(jié)構(gòu)固有頻率分析結(jié)果 (見(jiàn)圖7),固有頻率具體對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

圖6 卡箍固有頻率分析Fig.6 Natural frequency analysis of hoop structure

圖7 法蘭固有頻率分析Fig.7 Natural frequency analysis of flange structure

表5 固有頻率對(duì)比Table 5 Natural frequency comparison

通過(guò)有限元分析得出卡箍結(jié)構(gòu)一階固有頻率為49 Hz,傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)一階固有頻率為48 Hz。從有限元分析角度可以得出主給水隔離閥中腔采用卡箍結(jié)構(gòu)的固有頻率大于傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)的固有頻率,更有利于保證閥門(mén)的抗震性能[4]。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)

為了確定主給水隔離閥的固有頻率,對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn) (見(jiàn)圖8)[4]。

5.2 地震靜載荷試驗(yàn)

為了驗(yàn)證主給水隔離閥在地震載荷下的完整性以及可操作性,對(duì)其進(jìn)行了地震靜載荷試驗(yàn)(見(jiàn)圖9)[4]。

圖8 動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)Fig.8 Dynamic characteristicdetection test

圖9 地震靜載荷試驗(yàn)Fig.9 Static load test ofearthquake

試驗(yàn)結(jié)果為:

1)閥門(mén)在3個(gè)正交軸向的第一階固有頻率均大于49.5 Hz;

2)在地震靜載荷試驗(yàn)過(guò)程中,閥門(mén)填料和殼體無(wú)泄漏,開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間小于20 s,閥門(mén)運(yùn)行情況良好。

6 結(jié)語(yǔ)

大口徑電動(dòng)閘閥中腔采用卡箍結(jié)構(gòu),相較于采用傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)有效地降低了整機(jī)高度,減輕了整機(jī)重量,降低了分塊和整機(jī)的重心,更有利于保證閥門(mén)的抗震性能。從而可以得出結(jié)論:中腔采用卡箍結(jié)構(gòu)連接是一種保證大口徑電動(dòng)閥門(mén)抗震性能的有效措施。