□ 劉銀芳 □ 金維武 □ 尤國英

中國船舶重工集團(tuán)公司第七0三研究所無錫分部 江蘇無錫 214151

1　研究背景

設(shè)備的安全可靠性是核電站建造時(shí)必須關(guān)注的問題，許多國家都建立了完善的有關(guān)核電站安全的法規(guī)和規(guī)范［1-3］。設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)是核電站設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，必須嚴(yán)格執(zhí)行抗震設(shè)計(jì)和鑒定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［4-5］，進(jìn)而確保設(shè)備在發(fā)生安全停堆地震時(shí)能夠維持結(jié)構(gòu)的完整性和可運(yùn)行性。

背壓調(diào)節(jié)閥是“華龍一號(hào)”核電機(jī)組化學(xué)與容積控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備。筆者對(duì)該背壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行抗震應(yīng)力分析，進(jìn)而驗(yàn)證其抗震性能是否滿足RCC-M規(guī)范的要求。

該背壓調(diào)節(jié)閥的抗震要求是1I，即在發(fā)生安全停堆地震時(shí)能夠保持壓力邊界完整［6］。需要保持壓力邊界完整的零件包括閥體、閥蓋、雙頭螺柱和六角螺母。因此，抗震應(yīng)力分析時(shí)，主要對(duì)承壓部件——閥體、閥蓋和雙頭螺柱進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

2　計(jì)算方法

由于背壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此應(yīng)用SolidWorks軟件建立閥門的三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench［7-8］軟件進(jìn)行力學(xué)建模、分析設(shè)置與求解，最后進(jìn)行結(jié)果后處理。

目前，抗震分析［9-12］的方法主要有三種：等效靜力法、響應(yīng)譜法和時(shí)間歷程法。其中，時(shí)間歷程法的計(jì)算結(jié)果最為準(zhǔn)確，但是比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長；而等效靜力法與響應(yīng)譜法相對(duì)簡單，同時(shí)也能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率大于33 Hz時(shí)，可采用等效靜力法。

采用蘭喬斯法進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)第一階固有頻率大于33 Hz，屬于剛性結(jié)構(gòu)，因此采用等效靜力法進(jìn)行地震響應(yīng)計(jì)算。

3　力學(xué)模型

3.1　結(jié)構(gòu)描述

背壓調(diào)節(jié)閥的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，三維幾何模型如圖1所示。

3.2　材料參數(shù)

背壓調(diào)節(jié)閥主要承壓部件的材料為M3301牌號(hào)Z2CND18-12和M5110牌號(hào)Z6CN18-10，依據(jù)RCCM規(guī)范附錄，材料的力學(xué)性能參數(shù)見表2。表2中，Sy為材料在設(shè)計(jì)溫度（260℃）下的屈服強(qiáng)度，Su為材料在設(shè)計(jì)溫度下的抗拉強(qiáng)度，S為材料的基本許用應(yīng)力。

表1　背壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)參數(shù)

▲圖1 背壓調(diào)節(jié)閥三維幾何模型

表2　材料力學(xué)性能參數(shù)

3.3　有限元模型

采用4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共計(jì)135 325個(gè)單元、223 500個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺栓與閥蓋之間的連接采用接觸單元，并對(duì)每個(gè)螺栓施加40 N·m預(yù)緊力矩。流體進(jìn)口端法蘭面施加固定約束，出口端法蘭面施加管道反作用力矩載荷。背壓調(diào)節(jié)閥有限元計(jì)算模型如圖2所示。

▲圖2 背壓調(diào)節(jié)閥有限元計(jì)算模型

3.4　載荷條件

自重載荷PDW為結(jié)構(gòu)本身的重力載荷，作用方向?yàn)樨Q直向下，即負(fù)Z軸方向。取1.25倍設(shè)計(jì)壓力作為計(jì)算輸入的內(nèi)部壓力P，作用于背壓調(diào)節(jié)閥與流體接觸的表面。機(jī)械載荷PF包括背壓調(diào)節(jié)閥內(nèi)部彈簧的反作用力780 N。管口載荷PNL為管道對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥的反作用力118.9 N·m，作用于流體出口法蘭端面。地震載荷PSSE按靜力載荷輸入，同時(shí)作用在三個(gè)坐標(biāo)軸方向，地震加速度幅值為7.2g。

根據(jù)上述載荷條件，考慮兩種載荷組合工況。

我看見她炒菜時(shí)，因動(dòng)作太生猛，灑了一些油在燃?xì)庠钌?，于是連聲咒罵，因?yàn)樽⒁饬Ψ稚ⅲ又直挥湾伬餅R出的熱油燙著了。

（1）正常工況，為A級(jí)載荷準(zhǔn)則，載荷組合為PDW+P+PF+PNL。

（2）緊急工況，為C級(jí)載荷準(zhǔn)則，載荷組合為PDW+1.2P+PF+PNL+PSSE。

4　應(yīng)力準(zhǔn)則

4.1　結(jié)構(gòu)應(yīng)力限值

依據(jù)RCC-M規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見表3。表3中，Pm為薄膜應(yīng)力，Pb為彎曲應(yīng)力。

表3　結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

4.2　螺栓應(yīng)力限值

按照RCC-M規(guī)范規(guī)定，螺栓應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見表4。表4中，σm為螺栓最小截面上的平均拉應(yīng)力。

表4　螺栓應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

5　計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

5.1　固有頻率

模態(tài)分析得到背壓調(diào)節(jié)閥前四階固有頻率，見表5，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如圖3所示。

表5　背壓調(diào)節(jié)閥固有頻率 Hz

5.2　應(yīng)力評(píng)定

背壓調(diào)節(jié)閥最大應(yīng)力值見表6，應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。最大應(yīng)力位置為螺母底部與螺栓、閥蓋接觸處。

表6　背壓調(diào)節(jié)閥最大應(yīng)力值 MPa

根據(jù)各部件的最大應(yīng)力位置，確定應(yīng)力線性化路徑，如圖6～圖11所示。針對(duì)應(yīng)力線性化得到的薄膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

閥體及閥蓋的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表7，雙頭螺柱的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表8。結(jié)果表明，各部件的最大計(jì)算應(yīng)力均小于應(yīng)力限值，強(qiáng)度滿足要求。

▲圖3 背壓調(diào)節(jié)閥模態(tài)振型圖

▲圖4 背壓調(diào)節(jié)閥A級(jí)載荷應(yīng)力云圖

▲圖5 背壓調(diào)節(jié)閥C級(jí)載荷應(yīng)力云圖

▲圖6 閥體最大應(yīng)力

▲圖7 閥體線性化路徑

▲圖8 閥蓋最大應(yīng)力

▲圖9 閥蓋線性化路徑

▲圖10 螺栓最大應(yīng)力

▲圖11 螺栓線性化路徑

表7　結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定結(jié)果 MPa

表8　螺栓應(yīng)力評(píng)定結(jié)果 MPa

6　結(jié)束語

應(yīng)用有限元法對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行抗震應(yīng)力計(jì)算，并根據(jù)RCC-M規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。計(jì)算結(jié)果表明，背壓調(diào)節(jié)閥的抗震性能滿足RCC-M規(guī)范要求。

［1］ 核設(shè)施部件建造規(guī)則：ASME BPVC-Ⅲ—2004［S］.

［2］ 壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則：RCC-M—2000 ［S］.

［3］ 核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定：HAF102—1991［S］.

［4］ 核電站 IE級(jí)設(shè)備抗震鑒定的實(shí)施規(guī)程：IEEE 344—2004［S］.

［5］ 核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50267—1997［S］.

［6］ 張征明，吳莘馨，何樹延.核安全級(jí)閥門的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析［J］.閥門，2004（4）：1-4.

［7］ 張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［8］ 劉亮，王占軍.基于ANSYS Workbench的卷揚(yáng)機(jī)抗震分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015，44（5）：16-19.

［9］ 陳志華，劉世峰.氣體過濾器的三維實(shí)體模型抗震分析［J］.機(jī)械制造，2016，54（1）：14-15，18.

［10］匡中華.輔助給水電動(dòng)泵抗震分析和抗震試驗(yàn)［D］.沈陽：東北大學(xué)，2009.

［11］薛志成.核電工程結(jié)構(gòu)抗震性能計(jì)算研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［12］張佳卿，方文治，華君，等.核電廠大容量柴油發(fā)電機(jī)組公共底架的抗震分析［J］.機(jī)械制造，2016，54（10）：30-33.