大型先進壓水堆常規(guī)島大口徑抽汽止回閥的應力分析*

岳 陽，劉寶軍

(1.中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司，江蘇 蘇州 215129； 2.國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100094)

0 引 言

大型先進壓水堆常規(guī)島抽汽止回閥是核電站中的關鍵設備之一，對汽輪機設備起著安全保護作用。在核電站的正常、安全和穩(wěn)定運行具有極為重要的作用，是核電站可靠運行的保障。目前，該產品尚未實現國產化應用，結構設計上與國外還有一定的差距。

國產常規(guī)島大口徑抽汽止回閥的研究是屬于2019年國家重大專項《大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站關鍵閥門制造技術與研究》之一，由于是大口徑的流線型結構，閥體不能完全設計成球形或正圓柱型，屬于形狀較復雜的薄壁壓力容器，僅采用常規(guī)設計法很難保證產品的性能，一旦發(fā)生失效，嚴重影響核電站的安全運行。因此，筆者首先介紹了大口徑抽汽止回閥的主要結構形式和設計參數，然后利用有限元軟件ANSYS對閥門進行精準的壓力強度計算和深刻的分析，最后通過有關標準進行應力評定，確定閥門設計滿足強度要求，提高閥門在核電站運行的可靠性。

1 閥門主要設計參數

當前分析的常規(guī)島大口徑抽汽止回閥是目前核電中口徑最大，也是最具代表性的規(guī)格。設計參數如表1所列。總體上采用最先進的低流阻流線型旋啟式結構，如圖1所示。其閥體呈扁“凸”型結構，主要目的是降低流體阻力，提高閥瓣開啟力，如圖2所示。當然采用了這種結構后，會造成常規(guī)強度計算不全面、不精準，所以必須采用有限元分析法確保產品有足夠的強度。

表1 閥門主要設計參數

圖1 核電常規(guī)島抽汽止回

2 條件和說明

在分析計算中，對模型進行簡化，保留了主要承壓零件，如圖3所示，分析的目的是為了獲得閥門在役運行過程中閥體、閥蓋應力變形情況，并進行強度校核，為閥門的優(yōu)化設計提供依據。

圖3 裝配體模型

分析前對該模型做以下幾點說明：① 該模型所有尺寸均與施工圖紙一致；② 為簡化計算，不考慮中法蘭螺柱螺母連接結構螺紋特征；③ 為縮減計算規(guī)模，考慮到閥門的對稱性，取閥門的1/2建模；④ 閥體、閥蓋材料均為ASTM A216 WCB，常溫下密度為7.85 g/cm3，彈性模量2×105MPa，泊松比為0.3；螺柱和螺母材料分別為ASTM A193 B7/ASTM 194 2H,彈性模量2.3×105MPa，泊松比為0.3。

采用有限元軟件ANSYS進行分析,分析中有以下幾點假設:①假設認為模型中所有材料均為各向同性的線彈性體；②認為螺柱同時預緊，不考慮安裝過程中的螺柱彈性交互作用；③不考慮中腔墊片壓縮及回彈的非線性特性。

3 分析過程

(1) 模型導入

首先將在Solidworks中建好的幾何模型保存為Parasolid格式，然后在ANSYS Workbench中建立靜力學分析模塊，導入保存好的幾何模型。

(2) 網格劃分

考慮到實體模型形狀不規(guī)則，故在默認的基礎上，對各部件最小網格尺寸分別進行控制，以平衡計算精度與計算規(guī)模，如圖4所示。

圖4 裝配體網格圖5 載荷及約束

(3) 邊界條件

螺柱及螺母與閥蓋之間、閥體與閥蓋之間的接觸均定義為摩擦接觸閥體兩端施加固定約束；閥門剖分面施加無摩擦約束；內腔施加2.2 MPa壓力；考慮重力作用，取-Y方向；中法蘭螺柱施加預緊力載荷，如圖5所示。

(4) 運算結果

如圖6～11所示，分別展示了閥體、閥蓋和中法蘭螺柱在預緊載荷下以及預緊載荷與內壓作用下的Mises應力分布及變形情況：閥體中腔與支管交界處出現較大應力集中(如圖9所示)；閥蓋的最大應力位置處于結構不連續(xù)部位(如圖11所示)；中法蘭螺柱靠近閥體軸線側應力大，遠離閥體軸線側應力較小，預緊載荷作用下時螺柱間應力分布均勻，施加內壓后由于法蘭出現微小偏轉，螺柱間應力分布略有區(qū)別。

圖6 預緊載荷作用下閥門Mises應力分布

圖8 施加內壓后閥體Mises應力分布

圖10 施加內壓后閥蓋Mises應力分布

如圖13～14所示應力線性化，在閥體、閥蓋應力較大處構建應力評定線。

圖12 施加內壓后中法蘭螺

圖14 閥蓋應力評定線

根據我國壓力容器標準JB4732-1995要求進行應力評定，設計應力強度為：

式中：nb=2.6,ns=1.5,nst=1.5，求得Sm=166.7 MPa。

應力線性化路徑的選取原則是：通過分析閥體、閥蓋應力強度最大節(jié)點，其它高應力強度區(qū)選定節(jié)點及關注部位的相應節(jié)點，并沿壁厚方向的最短方向設定為應力線性化路徑。各零件應力強度評定結果見表2和表3結果均合格。

表2 閥體應力評定結果

表3 閥蓋應力評定結果

4 結 語

利于ANSYS軟件對國產常規(guī)島大口徑抽汽止回閥的三維模型進行有限元分析，可全面的知道閥門應力集中的具體位置，并精確的計算任何位置應力大小，并依據相關分析標準進行強度評判，優(yōu)化設計，提高產品性能，為產品設計提供可靠支撐，使產品性能完全媲美國際水平。