劉 平,湯曉剛,孫佳麗,高志崗,楊理烽,張 衛(wèi)

(1.中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司,江蘇 蘇州 215151;2.中國核電工程有限公司,北京 100840)

福島核電站泄漏事故,不僅讓全世界對核電安全性有所質(zhì)疑,也讓各國開始重新審視各自的核安全狀況。我國提升了核電的安全標準,在研發(fā)和生產(chǎn)核電設備時,要求必須進行抗震能力評估,確保核電設備在遇到如地震等重大事故時能保持結(jié)構(gòu)完整。

1 抗震要求

核電閥門作為核電站中重要的安全設備,必須能承受核電站壽命內(nèi)的使用載荷和地震載荷,三代核電 “華龍一號”規(guī)定有抗震要求的閥門應能夠滿足SL-1(運行基準地震動)在3個方向同時作用4.8g,SL-2(極限安全地震動)在3個方向同時作用6g的要求,且閥門的一階固有頻率應大于33 Hz。

2 大口徑電動閘閥抗震特性

大口徑電動閘閥具有行程大,啟閉力矩大的特點,導致選取的電動執(zhí)行機構(gòu)具有力矩大和質(zhì)量重的特點。

對于有抗震要求的大口徑電動閘閥,保證其抗震性能的措施主要有以下幾個方面:

1)降低分塊及整機重心和高度;

2)增大各分塊截面的轉(zhuǎn)動慣量;

3)增大危險截面面積、抗彎模量和抗扭模量。

3 采用卡箍形式連接的應用實例

如 “華龍一號”主給水隔離閥 (見圖1)公稱通徑:DN450、公稱壓力:900 Lb,屬于大口徑電動高壓閘閥,中腔連接處采用卡箍形式連接[1-2]。

圖1 主給水隔離閥Fig.1 Main feedwater isolation valves

其行程為384 mm,啟閉力矩為4 280 N.m,整機高度達到2 483 mm,且電動執(zhí)行機構(gòu)的重量達到479 kg,這對閥門的抗震性能的保證提出了很高的要求。

4 卡箍與傳統(tǒng)中法蘭連接對比分析

4.1 理論分析

中腔連接采用卡箍形式連接 (見圖2)和中法蘭形式連接 (見圖3),分別從整機高度、重量、縱向重心和危險截面轉(zhuǎn)動慣量4個方面進行了對比分析,具體數(shù)據(jù)見表1～表4。

圖2 卡箍分型面Fig.2 Dangerous section of hoop structure

圖3 法蘭分型面Fig.3 Dangerous section of flange structure

表1 整機高度對比Table 1 Height comparison

表2 整機及主要零件重量對比Table 2 Weight comparison

表3 縱向重心尺寸對比Table 3 Longitudinal center of gravity comparison

表4 危險截面轉(zhuǎn)動慣量對比Table 4 Rotary inertia of dangerous section comparison

由表1～表4可以得知,主給水隔離閥中腔處采用卡箍連接相較于傳統(tǒng)中法蘭連接降低了整機高度,減輕了整機的重量,降低了分塊和整機的重心,增大了危險截面轉(zhuǎn)動慣量,且通過理論計算卡箍結(jié)構(gòu)一階固有頻率為45 Hz,傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)一階固有頻率為41 Hz。即從理論分析角度可以得出主給水隔離閥中腔采用卡箍結(jié)構(gòu)的固有頻率大于傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)的固有頻率,更有利于保證閥門的抗震性能[3]。

4.2 有限元分析

分析模型為主給水隔離閥中腔采用卡箍 (見圖4)和中法蘭 (見圖5)結(jié)構(gòu)的兩個模型,將電動執(zhí)行機構(gòu)設置為一個質(zhì)點,并設置閥門進出口端的約束條件為固定約束,再對兩個模型分別進行網(wǎng)格劃分,卡箍結(jié)構(gòu)主給水隔離閥劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)為72 104,節(jié)點數(shù)為118 984;中法蘭結(jié)構(gòu)主給水隔離閥劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)為49 899,節(jié)點數(shù)為86 876。

圖4 卡箍網(wǎng)格單元格劃分Fig.4 Mesh of hoop structure

圖5 法蘭網(wǎng)絡單元格劃分Fig.5 Mesh of flange structure

通過運算分別得到主給水隔離閥兩種不同中腔連接形式的固有頻率,具體結(jié)果為卡箍結(jié)構(gòu)固有頻率分析結(jié)果 (見圖6)和中法蘭結(jié)構(gòu)固有頻率分析結(jié)果 (見圖7),固有頻率具體對比數(shù)據(jù)見表5。

圖6 卡箍固有頻率分析Fig.6 Natural frequency analysis of hoop structure

圖7 法蘭固有頻率分析Fig.7 Natural frequency analysis of flange structure

表5 固有頻率對比Table 5 Natural frequency comparison

通過有限元分析得出卡箍結(jié)構(gòu)一階固有頻率為49 Hz,傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)一階固有頻率為48 Hz。從有限元分析角度可以得出主給水隔離閥中腔采用卡箍結(jié)構(gòu)的固有頻率大于傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)的固有頻率,更有利于保證閥門的抗震性能[4]。

5 試驗驗證

5.1 動態(tài)特性探測試驗

為了確定主給水隔離閥的固有頻率,對其進行了動態(tài)特性探測試驗 (見圖8)[4]。

5.2 地震靜載荷試驗

為了驗證主給水隔離閥在地震載荷下的完整性以及可操作性,對其進行了地震靜載荷試驗(見圖9)[4]。

圖8 動態(tài)特性探測試驗Fig.8 Dynamic characteristicdetection test

圖9 地震靜載荷試驗Fig.9 Static load test ofearthquake

試驗結(jié)果為:

1)閥門在3個正交軸向的第一階固有頻率均大于49.5 Hz;

2)在地震靜載荷試驗過程中,閥門填料和殼體無泄漏,開啟和關閉時間小于20 s,閥門運行情況良好。

6 結(jié)語

大口徑電動閘閥中腔采用卡箍結(jié)構(gòu),相較于采用傳統(tǒng)中法蘭結(jié)構(gòu)有效地降低了整機高度,減輕了整機重量,降低了分塊和整機的重心,更有利于保證閥門的抗震性能。從而可以得出結(jié)論:中腔采用卡箍結(jié)構(gòu)連接是一種保證大口徑電動閥門抗震性能的有效措施。