核級氣體過濾減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震分析研究

王 剛，崔 禹，王楚輝

(浙江三方控制閥股份有限公司，浙江 杭州 311400)

0 引言

氣體過濾減壓閥是工業(yè)過程控制系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)[1]。作為氣源三聯(lián)件之一，它被視為氣動控制系統(tǒng)的必備元件，被廣泛地應(yīng)用于火電、核電、石油、化工、食品等各種行業(yè)，其可靠性不僅關(guān)系到自身的正常工作，還對整個控制系統(tǒng)的安全性能產(chǎn)生深遠影響[2]。在調(diào)節(jié)流體管路工況時，氣體過濾減壓閥被當做調(diào)節(jié)閥的氣動附件使用，因此，對氣體過濾減壓閥的高強度、高剛度與高穩(wěn)定性要求變得非常強烈[3]。

本文討論一種用于核電站的核級氣體過濾減壓閥，通過結(jié)構(gòu)原理研究與Femap有限元分析兩者相結(jié)合的方法對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震仿真分析來驗證該核級設(shè)備的可靠性。首先根據(jù)需求功能對其主要結(jié)構(gòu)進行工作原理分析，建立氣體過濾減壓閥的三維模型，對三維模型進行邊界條件確定和有限元網(wǎng)格劃分得到有限元模型；然后對其有限元模型進行模態(tài)分析，計算得到它的固有頻率和振型，判斷固有頻率的合理性從而確定合適的應(yīng)力分析方法進行地震工況下的力學分析。

本文依據(jù)美國ASME核電標準對核級氣體過濾減壓閥各部件進行應(yīng)力與變形狀態(tài)評定，以驗證其在指定的嚴酷地震工況條件下是否能保持功能完整性并滿足正常的工作需求。

1 氣體過濾減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

以國內(nèi)某核電站使用的與某型號核級閥門配套的一款NPT1/2進出口氣體過濾減壓閥為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于減壓閥的結(jié)構(gòu)特征，其具體工作原理是：由調(diào)節(jié)彈簧2推動膜片下移，帶動閥芯5下移，當閥芯下移高度為h時，向上的力與向下的力相等，閥門達到開啟平衡狀態(tài)，氣體通路打開；隨著進氣口持續(xù)進氣，膜片下腔室6氣體壓力增大，使膜片組件4上移，導流孔13打開，氣體通過泄壓孔14外泄；在氣體外泄過程中，膜片組件向上的力逐漸減小并等于調(diào)節(jié)彈簧力，導流孔關(guān)閉，閥芯向下力同時也減小，最終達到與復位彈簧8的彈簧力相等，閥門達到關(guān)閉平衡狀態(tài)。

1-調(diào)節(jié)旋鈕；2-調(diào)節(jié)彈簧；3-上蓋；4-膜片組件；5-閥芯；6-下腔室；7-閥體；8-復位彈簧；9-濾網(wǎng)支架；10-外殼；11-集水罐；12-排水螺栓；13-導流孔；14-泄壓孔圖1 氣體過濾減壓閥結(jié)構(gòu)

2 氣體過濾減壓閥抗震分析

2.1 有限元模型分析

氣體過濾減壓閥的材料采用ASME規(guī)定的材料，經(jīng)查詢ASME BPVC對應(yīng)的標準[4]，得到各主要零件的材料性能參數(shù)。

根據(jù)減壓閥安裝需求，將安裝邊界條件看作是固定約束形式；在Femap中進行網(wǎng)格劃分時，采用四面體10節(jié)點離散模型，模態(tài)分析時選用103模塊計算結(jié)構(gòu)特征頻率，應(yīng)力計算時選用101靜態(tài)分析模塊[5]。減壓閥有限元模型如圖2所示。

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)物體產(chǎn)生共振的知識原理，需要對空氣過濾減壓閥進行振動固有頻率和模態(tài)振型研究，地震波頻率一般小于33 Hz，所以為了使減壓閥不與地震波產(chǎn)生共振，則其第1階固有頻率應(yīng)大于33 Hz[6]。利用Femap&NX Nastran計算后得到減壓閥的第1階頻率為809 Hz，大于33 Hz，故閥體不會與地震波產(chǎn)生共振。減壓閥第1階振型圖如圖3所示。

圖2 減壓閥有限元模型 圖3 減壓閥第1階振型圖

2.3 應(yīng)力分析與載荷組合

采用等效靜力法進行地震工況下的應(yīng)力分析，即將等效的空間正交三個方向的地震加速度同時施加于整個減壓閥主體[7]。根據(jù)合力等效與合力矩等效的原理，分解出薄膜應(yīng)力σm、彎曲應(yīng)力σb、總應(yīng)力三種應(yīng)力。

抗震分析的載荷包括設(shè)備自重、螺栓預緊力等使用載荷和地震載荷，載荷組合及應(yīng)力評定準則如表1所示。表1中，S為材料許用應(yīng)力(260 ℃)。

表1 載荷組合及應(yīng)力評定準則

2.4 應(yīng)力評定

2.4.1 減壓閥總應(yīng)力

按圖4所示對減壓閥自重、地震加速度等載荷作用下的主要部件進行應(yīng)力評定。

對減壓閥施加如圖4所示的x、y、z三個方向的地震加速度和重力加速度之后，得到其整體所受最大等效應(yīng)力約為21.3 MPa，最大變形為0.004 28 mm。

2.4.2 上蓋應(yīng)力評定

利用Femap軟件對過濾減壓閥的上蓋進行應(yīng)力評定，其應(yīng)力圖及評定路徑圖如圖5所示。

由圖5標識的應(yīng)力評定路徑1給出的線性化應(yīng)力圖如圖6所示。

圖4 減壓閥約束及載荷圖

圖5 上蓋應(yīng)力圖及評定路徑圖

圖6 上蓋路徑1線性化應(yīng)力圖

根據(jù)上述分析得到上蓋具體的應(yīng)力評定結(jié)果，如表2所示。

表2 上蓋應(yīng)力評定結(jié)果

2.4.3 閥體應(yīng)力評定

利用Femap軟件對過濾減壓閥的閥體進行應(yīng)力評定，其應(yīng)力圖及評定路徑圖如圖7所示。

圖7 閥體應(yīng)力圖及評定路徑圖

由圖7標識的應(yīng)力評定路徑1給出的線性化應(yīng)力圖如圖8所示。

根據(jù)上述分析得到閥體具體的應(yīng)力評定結(jié)果，如表3所示。

圖8 閥體路徑1線性化應(yīng)力圖

表3 閥體應(yīng)力評定結(jié)果

2.4.4 外殼應(yīng)力評定

利用Femap軟件對過濾減壓閥的外殼進行應(yīng)力評定，其應(yīng)力圖及評定路徑圖如圖9所示。

圖9 外殼應(yīng)力圖及評定路徑圖

由圖9標識的應(yīng)力評定路徑1給出的線性化應(yīng)力圖如圖10所示。

根據(jù)上述分析得到外殼具體的應(yīng)力評定結(jié)果，如表4所示。

3 結(jié)論

通過對過濾減壓閥的結(jié)構(gòu)與工作原理分析，利用Femap有限元軟件分析得到該型號減壓閥的第1階自振頻率大于33 Hz；根據(jù)減壓閥應(yīng)力分析結(jié)果可知，該型號減壓閥在自重、地震加速度等組合載荷共同作用下，各薄弱部位的計算應(yīng)力值均小于相應(yīng)設(shè)計準則規(guī)定的許用應(yīng)力值，從而證明在各類載荷組合共同作用下該減壓閥的結(jié)構(gòu)與功能完整性可以得到保證。

圖10 外殼路徑1線性化應(yīng)力圖

表4 外殼應(yīng)力評定結(jié)果