沈　偉，　張強(qiáng)升，　陳天敏，　高開科

(1. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心， 北京 100082；2. 蘇州紐威閥門股份有限公司， 江蘇蘇州 215129)

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核級(jí)主蒸汽安全閥抗震分析及應(yīng)力評(píng)定

沈偉1，張強(qiáng)升1，陳天敏2，高開科2

(1. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心， 北京 100082；2. 蘇州紐威閥門股份有限公司， 江蘇蘇州 215129)

摘要：應(yīng)用有限元軟件Ansys對(duì)某核級(jí)主蒸汽安全閥樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算安全閥在地震載荷及設(shè)計(jì)載荷組合作用下的應(yīng)力和變形，完成應(yīng)力評(píng)定并校核閥桿和靜止部件的最大相對(duì)間隙.結(jié)果表明:該安全閥樣機(jī)在地震工況下能保證其結(jié)構(gòu)完整性及可運(yùn)行性，滿足抗震設(shè)計(jì)要求，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：安全閥； 有限元； Ansys； 抗震分析

主蒸汽安全閥用于壓水堆核電廠主蒸汽系統(tǒng)，是對(duì)主蒸汽系統(tǒng)壓力進(jìn)行超壓保護(hù)的重要設(shè)備,其核安全級(jí)別為核2級(jí)，抗震類別為1A.在地震載荷及設(shè)計(jì)載荷組合作用下，要求主蒸汽安全閥能保證結(jié)構(gòu)的完整性及可運(yùn)行性.因此，為了保證主蒸汽安全閥在使用期限內(nèi)安全運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行抗震鑒定[1].

核級(jí)設(shè)備的抗震鑒定一般可采用抗震分析、抗震試驗(yàn)、分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法.筆者借助有限元軟件Ansys對(duì)某核2級(jí)主蒸汽安全閥進(jìn)行模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和應(yīng)力計(jì)算，并根據(jù)應(yīng)力分類原則及RCC-M設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)閥門的關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)分析及評(píng)定,分析和驗(yàn)證閥門在地震載荷和設(shè)計(jì)載荷組合作用下的抗震性能.

1抗震分析及評(píng)定要求

某彈簧式核2級(jí)主蒸汽安全閥應(yīng)用于CPR1000核電廠，作為抗震Ⅰ類物項(xiàng)，要求其在運(yùn)行基準(zhǔn)地震載荷(POBE)和安全停堆地震載荷(PSSE)作用下，能夠繼續(xù)保持其結(jié)構(gòu)的完整性和良好的工作特性.在進(jìn)行應(yīng)力安全評(píng)定時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般只考慮事故工況以及PSSE，并采用B(RCC-M的O/A/B/C/D)級(jí)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定，這樣可以包絡(luò)POBE.同時(shí)評(píng)定中需要考慮正常工況，因此為了能夠包絡(luò)所有工況，采用O級(jí)應(yīng)力限值進(jìn)行評(píng)定.如果安全閥在事故工況下滿足RCC-M中的O級(jí)準(zhǔn)則，則抗震分析需要考慮的其他工況的計(jì)算結(jié)果必小于相應(yīng)的應(yīng)力限值[2]，具體的使用等級(jí)和應(yīng)力限值如表1所示.表1中，Dw為設(shè)備自重；pPD為設(shè)計(jì)靜壓；Peb為接管載荷；PSSE為安全停堆地震載荷；σm為總體薄膜應(yīng)力；σL為局部薄膜應(yīng)力；σb為彎曲應(yīng)力；S為許用應(yīng)力.

表1　使用等級(jí)和應(yīng)力限值

2建立有限元模型

安全閥總高為1 980 mm，總質(zhì)量為1 150 kg，進(jìn)、出口公稱通徑分別為200 mm和250 mm，設(shè)計(jì)壓力為8.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度為316 ℃.通過NX UG8.5建立該安全閥的三維幾何實(shí)體模型圖(圖1).在建模過程中，坐標(biāo)系原點(diǎn)定在流道中心處，裝配體要避免出現(xiàn)部件之間的干涉和大間隙，同時(shí)可以忽略結(jié)構(gòu)中非重點(diǎn)關(guān)注或應(yīng)力、變形很小的區(qū)域，如影響網(wǎng)格劃分的小孔、倒角、圓角、尖細(xì)面和螺紋等特征，最后將三維幾何模型導(dǎo)入有限元軟件Ansys前處理程序.

在有限元分析之前，建立安全閥結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的離散化模型應(yīng)能較真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀和物理特性，并對(duì)比較危險(xiǎn)的部件和截面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[3].安全閥的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示，采用三維實(shí)體單元Solid187對(duì)安全閥各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，部件之間通過網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)連續(xù)、MPC約束、建立Targe170和Conta174接觸對(duì)的方法進(jìn)行處理，閥體和閥蓋劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，沿壁厚方向的節(jié)點(diǎn)均勻分布在一條直線上，節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于5.模型共包含421 736個(gè)節(jié)點(diǎn)，136 042個(gè)實(shí)體單元.設(shè)計(jì)溫度下安全閥主要部件的材料特性參數(shù)見表2.

圖1　某安全閥三維幾何實(shí)體模型圖

圖2　某安全閥有限元網(wǎng)格圖

部件名稱材料類別彈性模量/GPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa許用應(yīng)力/MPa閥體M111220MN5M1.83×1050.3205483121閥蓋M111220MN5M1.83×1050.3205483121閥座M3306Z2CND18-121.75×1050.3173483108閥桿X6CrNiMo16-0.41.92×1050.3616754175螺栓M511042CrMo41.75×1050.3724862172

3模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

安全閥的抗震性能通常與自身的固有動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，最基本的要求是閥門整體的一階固有頻率大于33 Hz，從而避開地震激勵(lì)的工作頻率，不至于造成共振.實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使最低階固有頻率更大、剛性更好.筆者采用子空間迭代技術(shù)計(jì)算安全閥的固有頻率和振型，為計(jì)算其在地震載荷作用下的響應(yīng)做技術(shù)準(zhǔn)備.

在對(duì)該安全閥建立模型和計(jì)算時(shí)，有限元模型的位移邊界條件為對(duì)閥門進(jìn)口與管道連接的端面施加固定約束，再計(jì)算并提取前三階固有頻率和振型[4].圖3為初始設(shè)計(jì)時(shí)該安全閥第一階振型圖，其固有頻率為31.07 Hz，小于33 Hz，屬于危險(xiǎn)臨界區(qū)域.為提高該安全閥的第一階固有頻率，對(duì)影響最低階固有頻率的結(jié)構(gòu)剛度的部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變其幾何設(shè)計(jì)參數(shù).在采取最大限度地降低閥蓋的高度以及增大閥桿直徑的措施后，該安全閥的固有頻率得到較大提升.圖4為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的安全閥第一階振型圖，其最低階固有頻率為42.88 Hz，滿足大于33 Hz的技術(shù)要求，表明優(yōu)化后的安全閥結(jié)構(gòu)剛性較好，在抗震分析時(shí)可采用等效靜力法.

圖3　初始設(shè)計(jì)時(shí)安全閥第一階振型圖

Fig.3First-order mode shape of the safety valve during initial design

圖4　優(yōu)化設(shè)計(jì)后安全閥第一階振型圖

Fig.4First-order mode shape of the safety valve after design optimization

4抗震分析

4.1載荷及邊界條件

根據(jù)主蒸汽安全閥的實(shí)際工況，對(duì)閥門進(jìn)、出口與管道連接的端面施加固定約束.抗震分析考慮的主要載荷包括內(nèi)壓載荷、自重載荷、接管載荷、PSSE和閥體閥蓋連接螺栓預(yù)緊力.為保守計(jì)算，事故工況下的壓力取設(shè)計(jì)壓力的1.5倍；采用等效靜力法進(jìn)行抗震分析時(shí)，PSSE要求沿3個(gè)互相垂直軸線方向加載6g(g為重力加速度，g=9.8 m/s2)的靜態(tài)當(dāng)量地震載荷.為了模擬最苛刻的地震工況，加載方向應(yīng)有一個(gè)處于對(duì)安全閥的抗震性能最不利的方向，即保證有一個(gè)方向?yàn)榘踩y剛性最小的方向；設(shè)備自重考慮為在設(shè)備上施加1g的重力加速度；安全閥的設(shè)計(jì)溫度主要用來確定此溫度下材料的許用應(yīng)力，分析中不考慮由于溫度作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力.閥體閥蓋連接螺栓預(yù)緊力由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：k為根據(jù)連接類型和應(yīng)用場(chǎng)合而確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于安全閥中的法蘭連接，取值為0.38；σs為螺栓許用應(yīng)力；d為螺柱直徑.

接管載荷(即管道反作用力)在閥體上產(chǎn)生的應(yīng)力由RCC-M B3552.2的規(guī)范公式法計(jì)算得出，其值為25.3 MPa，然后線性疊加利用分析法計(jì)算得到的由地震載荷及設(shè)計(jì)載荷組合作用引起的閥體應(yīng)力，所得的總應(yīng)力即為既考慮地震及設(shè)計(jì)載荷，又考慮接管載荷的應(yīng)力.

4.2計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

閥體、閥蓋和閥座作為承壓部件，根據(jù)計(jì)算得到的應(yīng)力分布確定典型的危險(xiǎn)截面，在Ansys中選取危險(xiǎn)截面的內(nèi)外壁2個(gè)節(jié)點(diǎn)作為應(yīng)力線性化路徑，然后進(jìn)行應(yīng)力線性化，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類并得出應(yīng)力線性化結(jié)果，利用RCC-M規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定.為使結(jié)果保守以及能包絡(luò)所有工況，在評(píng)定時(shí)應(yīng)力限值取O級(jí)，即σm<1.0S且σm+σb<1.5S.

閥桿采用彈塑性材料，為保守起見，采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行評(píng)定.在內(nèi)壓、自重、螺栓預(yù)緊力和SSE組合作用下，閥門整機(jī)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖5.

圖5　閥門整機(jī)的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

4.2.1閥體應(yīng)力結(jié)果及評(píng)定

圖6為閥體的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖，因?qū)ΨQ，僅取1/2截圖.圖7為閥體危險(xiǎn)截面和高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力評(píng)定線示意圖.

圖6　閥體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

圖7　閥體應(yīng)力評(píng)定線示意圖

閥體材料的許用應(yīng)力S為121 MPa，評(píng)定允許應(yīng)力為：σm=1.0×S=121 MPa,σm+σb=1.5×S=181.5 MPa.

表3為閥體危險(xiǎn)截面和高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力評(píng)定表，評(píng)定結(jié)果為合格，閥體的強(qiáng)度完全滿足要求.

表3　閥體(在O級(jí)準(zhǔn)則下)的應(yīng)力評(píng)定

4.2.2閥蓋應(yīng)力結(jié)果及評(píng)定

圖8為閥蓋的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖，因?qū)ΨQ，僅取1/2截圖.圖9為應(yīng)力評(píng)定線示意圖.

圖8　閥蓋應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

閥蓋材料的許用應(yīng)力S為121 MPa，評(píng)定允許應(yīng)力為：σm=1.0×S=121 MPa；σm+σb=1.5×S=181.5 MPa.

表4為閥蓋高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力評(píng)定表，評(píng)定結(jié)果為合格，閥蓋的強(qiáng)度完全滿足要求.

4.2.3閥座應(yīng)力結(jié)果及評(píng)定

圖10為閥座的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖，因?qū)ΨQ,僅取1/2截圖.圖11為閥座高應(yīng)力區(qū)域和危險(xiǎn)截面的應(yīng)力評(píng)定線示意圖.

圖9　閥蓋應(yīng)力評(píng)定線示意圖

應(yīng)力路徑應(yīng)力分類及準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果/MPa允許應(yīng)力/MPa評(píng)定結(jié)果C-Cσm

圖10　閥座應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

圖11　閥座應(yīng)力評(píng)定線示意圖

閥座材料的許用應(yīng)力S為108 MPa，評(píng)定允許應(yīng)力為：σm=1.0×S=108 MPa,σm+σb=1.5×S=162 MPa.

表5為閥座高應(yīng)力區(qū)域和危險(xiǎn)截面的應(yīng)力評(píng)定表，評(píng)定結(jié)果為合格，閥座的強(qiáng)度完全滿足要求.

表5　閥座(在O級(jí)準(zhǔn)則下)的應(yīng)力評(píng)定

4.2.4閥桿應(yīng)力、變形結(jié)果及評(píng)定

圖12為閥桿的應(yīng)力分布云圖，閥桿的最大應(yīng)力強(qiáng)度為155 MPa，小于其許用應(yīng)力175 MPa.作為非標(biāo)準(zhǔn)承壓部件，閥桿的一次應(yīng)力強(qiáng)度總是小于最大應(yīng)力強(qiáng)度.因此，無須進(jìn)行應(yīng)力線性化就可確認(rèn)閥桿的一次應(yīng)力必小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求.

圖13為閥桿的變形云圖，閥桿頂端的最大變形量為0.95 mm，可動(dòng)部件閥桿與靜止部件調(diào)節(jié)套相接觸處的最大變形僅為0.048 mm.可動(dòng)部件與靜止部件的相對(duì)變形不超過實(shí)際間隙0.3 mm的90%，閥桿與靜止部件的相對(duì)變形滿足設(shè)計(jì)要求，不影響安全閥的可運(yùn)行性.

圖12　閥桿應(yīng)力分布云圖

圖13　閥桿變形云圖

4.2.5閥體閥蓋連接螺栓應(yīng)力評(píng)定

閥體與閥蓋由8個(gè)M36螺栓連接，螺栓的材料為奧氏體M5110 42CrMo4，其抗拉強(qiáng)度Su=862 MPa，在計(jì)算載荷作用下，連接螺栓的最大拉伸應(yīng)力與最大剪切應(yīng)力分別為168.4 MPa和27.1 MPa.連接螺栓的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力云圖分別見圖14和圖15.

圖14　連接螺栓拉伸應(yīng)力云圖

圖15　連接螺栓剪切應(yīng)力云圖

根據(jù)RCC-M 強(qiáng)制性附錄ZVI 2460螺栓緊固件連接要求，同時(shí)承受拉伸和剪切應(yīng)力的螺栓，拉伸和剪切應(yīng)力應(yīng)滿足下式：

(2)

式中：ft為計(jì)算拉伸應(yīng)力；fv為計(jì)算剪切應(yīng)力；Ftb為工作溫度下螺栓的許用拉伸應(yīng)力；Fvb為工作溫度下螺栓的許用剪切應(yīng)力.

閥體閥蓋連接螺栓應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表6，連接螺栓的應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)的應(yīng)力限值，并有一定的安全裕度.

表6閥體閥蓋連接螺栓應(yīng)力評(píng)定

Tab.6Stress evaluation of the connecting bolts between valve body and valve cover

評(píng)定內(nèi)容計(jì)算結(jié)果評(píng)定限值結(jié)論拉伸應(yīng)力ft/MPa168.4Ftb=0.3Su=258.6合格剪切應(yīng)力fv/MPa27.1Fvb=Su/8=107.75合格f2t(Ftb)2+f2v(Fvb)20.698≤1合格

5結(jié)論

(1) 采用三維實(shí)體單元對(duì)某核2級(jí)安全閥部件進(jìn)行建模，并對(duì)應(yīng)力敏感區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，在較好地模擬結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上,考慮了計(jì)算成本和時(shí)間因素.

(2) 為了提高某核2級(jí)主蒸汽安全閥的第一階固有頻率，對(duì)影響結(jié)構(gòu)剛度的部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化設(shè)計(jì)后安全閥的前三階正交軸向自振頻率均大于33 Hz，具有足夠的剛度.

(3) 在考慮內(nèi)壓、自重和地震載荷作用下，對(duì)核2級(jí)主蒸汽安全閥進(jìn)行了抗震分析，并根據(jù)RCC-M進(jìn)行分析和評(píng)定,結(jié)果表明該核2級(jí)主蒸汽安全閥樣機(jī)在地震工況下能保證其結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，滿足抗震設(shè)計(jì)要求.

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Aseismic Analysis and Stress Evaluation of Main Steam Safety Valve for Nuclear Power Stations

SHENWei1,ZHANGQiangsheng1,CHENTianmin2,GAOKaike2

(1. Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China; 2. Neway Valve (Suzhou)Co., Ltd., Suzhou 215129, Jiangsu Province, China)

Abstract：Modal calculation and structural optimization were conducted to a main steam safety valve prototype for nuclear power stations using finite element software Ansys, while the stress and deformation of the valve subjected to both earthquake load and design load were calculated, so as to perform the stress evaluation and estimate the maximum gap between valve stem and related stationary part. Results show that the valve prototype can maintain structural integrity and normal operation under earthquake conditions, which is able to meet the requirement of aseismic design and would have good prospects in engineering applications.

Key words：safety valve; finite element; Ansys; aseismic analysis

文章編號(hào)：1674-7607(2016)02-0162-06

中圖分類號(hào)：TL48

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：490.65

作者簡(jiǎn)介：沈偉(1979-)，男，安徽滁州人，高級(jí)工程師，博士，主要從事核電廠核級(jí)機(jī)械設(shè)備安全審評(píng)方面的工作.張強(qiáng)升(通信作者)，男，工程師，碩士，電話(Tel.)：010-82205917；E-mail：zhangqiangsheng87@163.com.

收稿日期：2015-04-28

修訂日期：2015-05-16