核電站閥門抗震分析與計算

周長寶

（安策閥門（太倉）有限公司，江蘇太倉215400）

0 引 言

核電站使用閥門有相當部分會有抗震等級要求，閥門在地震過程中，地震載荷對閥門承壓邊界會產生一定影響，核電站使用的閥門必須能承受地震載荷給閥門帶來的應力作用，閥門地震載荷的分析一般采用有限元分析軟件進行閥門固有頻率分析，然后用等效靜力法來計算地震載荷引起的壓力，并將等效壓力與工作壓力疊加后計算與其總壓力所對應的應力值，然后根據評定原則來校核閥門承壓邊界零件的應力強度。本文以核級旋塞閥為例分析了閥門的固有頻率計算，同時對閥門的抗震分析的一般過程做了論述，不同的閥門類型計算過程略有不同。

1 閥門設計參數與材料

該閥門為核安全2級，抗震1A類旋塞閥，閥門的公稱通徑為DN80,接管尺寸為φ88.9×5.5 mm,閥門的公稱壓力為Class150,閥門的設計壓力為1.33 MPa，水壓強度試驗壓力為2.66 MPa，設計溫度為150 ℃。

該旋塞閥的組裝圖如圖1所示，主要由閥體、閥瓣、閥蓋、下閥蓋、執行器支架、電動執行器、螺栓螺母組成。閥門質量為100 kg，其中電動執行器的質量為51 kg。閥體、旋塞、閥蓋、下閥蓋材料均為Z2CND17-12，閥蓋螺栓及下閥蓋螺栓材料為X6CrNiCu17-04, 螺母材料為X12Cr13。計算所取材料參數如表1所示。

表1 閥門結構材料參數

2 閥門固有頻率

采用有限元分析軟件進行閥門的固有頻率計算，首先要簡化三維模型，取消一些復雜倒角或者溝槽區域，因為模型過于復雜會影響到模型的網格劃分，最終導致計算結果的不準確。三維模型簡化完成后，進行網格劃分，然后選用合適的固有頻率分析求解器完成閥門固有頻率的計算。只有在閥門的固有頻率大于33 Hz的情況下，才可以使用等效靜力法來做閥門的抗震分析[1]。

3 載 荷

閥門的載荷包括自重、內壓、管道載荷、地震載荷等[2]。

3.1 管道載荷

管道傳遞給閥體的載荷被稱為管道載荷。如果閥門的管道載荷大小在設計規格書中并沒有提供，我們可以依據RCC-M C3552確定閥門的管道載荷[3]，即：

式中：Cb為彎曲載荷的應力指數；ri為閥門支管內徑，mm；Tr為閥門支管壁厚，mm；Gb為閥體支管處慣性模量；Fb為連接管道的慣性模量；De為管道外徑，mm；Di為管道內徑，mm。

3.2 地震載荷

閥門整機包括外伸機構的最低自振頻率大于33 Hz的閥門，其抗震計算可采用等效靜力法，即將等效的地震加速度引起的靜載荷施加于外伸機構的重心上，且考慮空間正交三個方向的等效地震載荷同時作用。地震會給閥門帶來水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3個方向上的加速度,重力加速度是g=9.81 m/s2，地震載荷的作用如圖2所示。

3.3 自重

自重載荷的施加方式為在垂直Y方向施加1g的重力加速度。

3.4 工況及載荷組合

由地震產生的載荷及其他載荷（例如內壓、自重、管道載荷等）產生的應力分量或附加載荷組合如表2所示。 其中地震載荷包括OBE運行基準地震載荷，以及SSE安全停堆地震載荷。

表2 地震作用下的閥門載荷組合

閥門的各個工況下載荷一般不會逐一計算校核，一般會取包絡的嚴酷工況來完成計算，如表3所示。

表3 嚴酷工況下的閥門載荷組合

4 應力計算與評定

主要針對影響閥門承壓邊界的閥體、閥蓋及閥蓋螺栓進行應力校核計算。

4.1 閥體

按照RCC-M C3550章節對閥體的一次薄膜和一次薄膜加彎曲應力進行計算分析[3]。

閥體一次薄膜應力計算公式為

閥體一次薄膜+彎曲應力計算公式為

式中：σm為閥體一次薄膜應力強度，MPa；σb為閥體彎曲應力強度，MPa；Af為閥體拐角區面積，mm2；Am為有效金屬面積，mm2；ri為閥體拐角區的內半徑，mm；r為閥體拐角區平均半徑，mm；Ps為介質壓力，MPa。

計算出的閥體一次薄膜+彎曲應力值與該閥體材料設計溫度下對應的許用應力比較，滿足計算值小于許用值。各工況下的應力許用強度值如表4所示。表4中：S為基本許用應力值，MPa；Sy為屈服強度，MPa。

表4 閥體各工況許用應力值

4.2 閥蓋

閥蓋在閥門中屬于承壓零件，可以采用RCCMC3324章節來計算，閥蓋的計算需要同時考慮閥蓋螺栓的力矩，因此一般在計算閥蓋的同時，需要先計算閥蓋螺栓在各個工況下的力矩情況。然后依據RCCM-C3324章節來計算出在各工況下需要的最小閥蓋厚度。閥蓋的材料與閥體材料相同，因此計算時所使用的許用應力值與表3中一致。計算評定的準則是，閥蓋的實際厚度大于所需厚度即可[3]。

4.3 閥蓋螺栓

閥蓋螺栓的主要作用是保證閥門的閥蓋和閥體的連接，螺栓提供一定的預緊力，保證閥門在介質載荷、地震載荷及其他多種組合載荷的作用下閥門的結構完整及墊片的有效密封。保證閥門承壓邊界安全性及閥門密封性。在閥門地震工況下螺栓的受力主要是由于外伸機構的偏心導致，外伸機構的質量在三個方向上的加速度的作用下，使得連接螺栓需要提供更大的預緊力，來保證閥門密封性及承壓邊界完整性[4]。

4.3.1 地震等效壓力

對于閥蓋螺栓，按照RCC-M規范中ZV200規定的方法來評定，設計壓力為1.33 MPa，等效壓力主要來自于地震載荷作用下產生的慣性力。等效壓力與工作壓力疊加后計算總壓力所對應的螺栓預緊力。等效壓力計算公式為：

式中：Peq為地震等效壓力，MPa；Dj為墊片平均直徑，mm；Mf為彎曲力矩，N·mm；Fa為外載荷軸向力，Fa=Fy，N。

4.3.2 預緊力計算

螺栓預緊力的計算需要計算三個預緊力，分別是保證螺栓實現墊片密封所需要的預緊力Fs0、保證螺栓不受剪切力所需要的預緊力Fs0′及試驗工況下的預緊力Fs(Peh)。按照RCCM-ZV200章節去計算Fs0、Fs0′、Fs(Peh)[5]。

螺栓實際提供的預緊力Fsi計算公式為

式中：Csi為單個螺栓實際提供的力矩，N·mm；Pas為螺栓螺距，mm；n為螺栓數量；Rmoy-f為系數；Rmoy-a為系數。

計算中螺栓材料的力學性能參數如表1所示。通過計算，最終保證螺栓實際提供的預緊力Fsi均大于Fs0、Fs0′及Fs(Peh)。即驗證了螺栓的選型合理，可以提供足夠的力，保證閥蓋與閥體之間的墊片可以實現正常密封，在各載荷作用下螺栓不受剪切作用，以及滿足試驗工況下閥門的墊片密封等[6]。

5 結 論

本文以核電站用旋塞閥為例，分析了在各個工況下的強度計算，提供了一種在包括地震載荷作用下的各工況的閥門承壓邊界的強度計算思路和方法。提供了一種理論依據和技術支持，其計算方法和步驟是可行有效的。