閥門強度分析和抗震檢驗方法的探討

趙銀龍

哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司 黑龍江哈爾濱 150000

核電站使用閥門有相當(dāng)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(chǎn)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(yīng)力作用，閥門地震載荷的分析一般采用有限元分析軟件進(jìn)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(yīng)的應(yīng)力值，然后根據(jù)評定原則來校核閥門承壓邊界零件的應(yīng)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 仿真分析

將閘閥全部零件進(jìn)行立體建模，并確定每個零件的密度以得到閥門的精確質(zhì)量。在進(jìn)行應(yīng)力分析時，如果在閥體的一端施加固定約束，而端部應(yīng)力得不到有效釋放，將在閥體端面位置產(chǎn)生應(yīng)力奇異，最大應(yīng)力可達(dá)2000MPa，這顯然與現(xiàn)實情況相違背。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗及規(guī)定，可以在閥體進(jìn)口處增加一過渡管（過渡管長度為入口管徑的2～5倍），在過渡管入口施加固定約束，使應(yīng)力奇異發(fā)生在管道入口。而評價分析結(jié)論時，只考核閥門的受力情況，忽略過渡管入口上出現(xiàn)的誤導(dǎo)結(jié)論。這樣可以真實模擬閥體的受力情況，得出相對準(zhǔn)確的應(yīng)力分析值。在ASME法規(guī)中，著重關(guān)注閥門承壓邊界的受力情況。因此，只取閥體、閥蓋和過渡管組成的裝配體為研究對象。在閥體右側(cè)的中腔與支管交界位置，根據(jù)經(jīng)驗劃分出3條閥體的應(yīng)力評定線。同時將模型轉(zhuǎn)化到ANSYSWorkbench軟件中。在ANSYS軟件中，對閥體、閥蓋、過渡管賦予材料屬性，對支架、過渡頭和執(zhí)行機構(gòu)等省略掉的零件以一個有質(zhì)量的點代替，并選擇閥體與閥蓋相接觸的表面作為支撐質(zhì)量點位置的平面。分別選取過渡管與閥體、閥體與閥蓋相接觸的表面為零件間的接觸面，選擇約束類型為bonded綁定約束。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，同時進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗證。設(shè)定熱應(yīng)力分析參數(shù)，選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接觸的表面設(shè)定設(shè)計溫度，選擇閥體的外表面確定對流換熱系數(shù)。在結(jié)構(gòu)分析選項中輸入Z軸方向重力加速度9806.6mm/s2，在X、Y軸輸入OBE和SSE等效重力加速度的地震載荷，用于考慮B、D等工況下的地震載荷輸入。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸方向分別輸入技術(shù)規(guī)格書要求的管道反作用力和扭矩。計算得出應(yīng)力評定線上的薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力[1]。

2 閥門強度分析和抗震檢驗方法的探討

2.1 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(yù)緊力，保證閥門在介質(zhì)載荷、地震載荷及其他多種組合載荷的作用下閥門的結(jié)構(gòu)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(gòu)的偏心導(dǎo)致，外伸機構(gòu)的質(zhì)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(yù)緊力，來保證閥門密封性及承壓邊界完整性。

2.2 CAD參數(shù)化技術(shù)

傳統(tǒng)幾何造型的方法在設(shè)計初期就要確定模型的幾何關(guān)系，且在后續(xù)操作中如需修改只能重新設(shè)計，容錯率很低，明顯增大了工作量。而參數(shù)化技術(shù)在處理結(jié)構(gòu)相似或相同的三維產(chǎn)品模型時，通過對參數(shù)的修改便可以更改設(shè)計圖形的尺寸以及相互之間的配合以及公差關(guān)系，使得所設(shè)計的產(chǎn)品重新自動生成，這顯著的提高了設(shè)計效率[2]。

2.3 設(shè)備描述

核級安全殼隔離閥在核電站中屬于安全級關(guān)鍵設(shè)備。其在核電站中的主要功能是作為安全屏障閥使用。同時，在某些工況下，核級通風(fēng)隔離閥及其系統(tǒng)則為核島通風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行工作，排出安全殼廠房的熱風(fēng)，即：①系統(tǒng)正常運行時，核級通風(fēng)隔離閥充當(dāng)了通風(fēng)系統(tǒng)控制部件，根據(jù)系統(tǒng)要求，或開，或關(guān)；②系統(tǒng)檢修時，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；③當(dāng)核島反應(yīng)堆出現(xiàn)事故時，閥門快速關(guān)閉，切斷安全殼與外界的聯(lián)系，亦或事故狀態(tài)部分閥門開啟，進(jìn)行排風(fēng)作業(yè)，直至人員全部撤離后，所有安全殼配套的核級安全殼隔離閥全部關(guān)閉。④安全殼隔離閥工作原理閥體為靜止部件，閥板通過花鍵與軸固定連接，閥軸和驅(qū)動裝置之間用花鍵連接，閥軸上下兩端用軸承支撐，閥門動作時，驅(qū)動裝置帶動閥軸，閥軸帶動閥板，實現(xiàn)閥門的啟閉。安全殼隔離閥的驅(qū)動裝置主要由電動裝置（附手動）、絲桿、曲柄機構(gòu)、電磁離合器、彈簧缸等組成，執(zhí)行啟閉動作時，執(zhí)行器驅(qū)動蝸輪通過電磁離合器帶動滾珠絲杠運動，通過軸套帶動蝶板轉(zhuǎn)動，驅(qū)動裝置采用了不等速連桿式驅(qū)動機構(gòu)。在定速定力矩操作時，連桿機構(gòu)不等速運行，驅(qū)動裝置具有小力矩快速回轉(zhuǎn)，大力矩低速啟閉閥門的特殊性能，操作過程中及閥門打開后執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的電磁離合器帶電，通過與蝸輪蝸桿副的嚙合達(dá)到自鎖，而使閥門的蝶板停留在任何位置。打開過程中執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的彈簧被逐漸壓縮儲能，當(dāng)閥門需要關(guān)閉時，通過控制室指令使電磁離合器斷電，執(zhí)行機構(gòu)失去電磁離合器的控制在壓縮彈簧的推動下帶動閥板運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門快速關(guān)閉[3]。

3 結(jié)語

①進(jìn)一步加快計算機輔助設(shè)計CAD參數(shù)化技術(shù)和CAE技術(shù)對閥門設(shè)計的應(yīng)用和理解，加快完善參數(shù)化系統(tǒng)以及參數(shù)化裝配技術(shù)，提高閥門設(shè)計能力。②核級閥門強度計算方法可以按照與RCC－M規(guī)范和ASME規(guī)范中大體的框架來進(jìn)行，具體細(xì)節(jié)、具體問題等需要依據(jù)其工程經(jīng)驗及實際需求進(jìn)行處理，同時，所用材料、焊接鍛造工藝、誤差控制范圍、腐蝕裕量等是有區(qū)別的，這些需要通過大量的試驗、調(diào)研來完成。