基于WORKBENCH的核级三通阀门抗震分析研究

陈一伟，卓家桂，王德军，施建中，周秋鸿，石 红，*

(1.生态环境部核与辐射安全中心,北京 100082;2.上海一核阀门股份有限公司，上海 201823；3.生态环境部国家核安全局，北京 100006 )

为保证核电厂在地震发生时能够安全地运行，核电阀门往往需要采用计算机软件及经验公式计算相结合的方法进行抗震分析，来确保阀门在SL-1及SL-2地震水平下能够保持压力边界的完整性[1]，部分阀门还需满足保持正常运作功能的要求。本文以某核一级阀门为例，该阀门为核电厂化学和容积控制系统下泄管线高温调节阀。利用Workbench模块对阀门应力进行分析，提出了计算阀门的固有频率及应力评定的基本方法，介绍核级阀门抗震分析的流程，并依据RCC-M 2007规范对阀门结构进行评价。

1 核级阀门的建立及技术要求

核一级三通阀门的总体结构如图1所示。阀门的公称直径为DN80，设计压力为25 MPa，设计温度为370 ℃。电动三通调节阀主要由阀体、阀芯、阀盖、阀杆、波纹管、电动执行机构等组成。本文仅对核一级阀门的压力边界进行分析，安全等级为核1级，抗震要求为1A类。阀门的公称直径为DN80，设计压力为25 MPa，设计温度为370 ℃。阀门由支架、阀盖、波纹管座、阀体等部件组成。

图1 三通阀结构示意图Fig.1 Structure of muffler

阀门为三通结构，主要用于改变介质流向，三通阀门它除了进口、出口、还有换向口，普通阀门是不具备改变介质流向功能[2]。本文主要介绍三通阀门边界约束、载荷的施加及危险截面的评定方法。

抗震1A类的阀门要求在载荷组合的作用下不仅能保证压力边界的完整性，同时可以确保各个部件以及整体机械结构的可运行性[3]。地震频率一般上处于 0.2～33 Hz 这个频率区间之间，因此阀门产品的自振频率也处于该频率区间内的话，在地震期间或在遭受地震后会引起共振的发生，导致阀门组件和管道连接处遭受到地震破坏，所以一般要求阀门的自振频率应当大于 33 Hz[4]。

2 三通阀的模态计算方法

本文利用分析软件ANSYS有限元软件Workbench模块对阀门进行了模拟，对阀门的模态和应力分析方法进行探讨。

模态分析的有限元模型采用四面体网格，对进出口颈部的网格进行细化，共生成65 085个节点，38 358个单元。

对于在模态分析时是否要施加预应力目前并没有明确的规定，所以目前阀门行业中存在着两种分歧的观点，一种是认为在模态分析是应当施加预应力，而另外一种是认为不需要施加预应力，只需施加固定约束就可以了[5]。

为了探讨施加预应力对模态的影响，本文分别对施加了预应力(内压)及没有施加预应力的模态进行分析：

模态计算的边界条件为：(1)无预应力：在模型阀门进口处施加固定约束边界；(2)有预应力：在阀门进口处施加固定约束条件，阀体内部流体腔施加内压。各条件下的固有频率计算结果如表1所示。

表1 各条件下的固有频率计算结果Table 1 Natural frequency calculation results under various conditions

对比分析结果可知，内压应力对管道的固有频率有一定的影响，但仅有1.3×10-5，没有产生数量级的影响。由该阀门的模态分析结果可知，采用不施加预应力(内压)进行阀门的模态计算是可接受的，而且可以减少很大的计算量。

3 应力分析

要求做抗震分析的核级阀门要求在电厂遭遇地震期间以及地震之后能够保证其结构的完整性，即在OBE和SSE地震载荷及设计组合载荷作用下保持结构完整，抗震1A类阀门还要求地震后仍具备功能性。为保证阀门的安全性，一般技术规格书要求核级阀门的固有频率必须大于33 Hz，否则应进行加固处理[6]，以避免在地震期间或在遭受地震后引起共振。对于固有频率大于33 Hz的阀门一般认为是刚性阀门，技术规格书无特殊规定的话可以按照等效静力加载法计算。根据这一等效荷载用静力分析的方法对结构进行内力和位移计算，来检测该结构在地震载荷作用下的应力结果，形变，破坏等[7]。本文仅对阀门分析方法进行探讨，因此对阀门施加6.6g的静力加速度进行计算。

3.1 接管载荷

除内压、地震载荷和重力外，一般核级阀门还得考虑接管载荷的影响。以RCC-M标准为例，按照RCC-M B3552.2中的要求，阀体须承受管道传递的外力矩，即FbS′y[8]。

de——较大连接管道的阀门内径；

Ps——标准设计压力。

阀体所受的外力矩Mb=FbS′y，其中S′y取管材在260 ℃时的屈服强度。

此阀门按照公式算得阀门的弯矩为4 476 N·m，S′y查得为207 MPa。

3.2 内压产生的拉应力

针对存在内压的阀门，在阀门的进出口接管处会产生一定的拉应力，其值为F=P·S。

3.3 边界施加及应力计算结果

对核一级电动三通调节阀抗震分析采用等效静力法计算，三个方向同时施加6.6g大小的静力，接管载荷按最不利方向施加。三通阀门因为有两个出口，此次计算采用保守算法，在进口端设置固定约束，释放另两个出口端的自由度并在两个出口端施加接管载荷及由内压产生的拉应力， 计算载荷如图2所示，计算结果如图3所示。

图2 阀门载荷示意图Fig.2 Valve load diagram

图3 阀门整机应力强度云图Fig.3 Cloud chart of stress intensity of valve

查RCC-M得，阀门材料的许用应力为112 MPa，从计算结果及云图中可以看出，阀体出入管管颈处应力最大，最大值达188.47 MPa，将采用路径法来进一步校核。其余零部件及阀体的其余部位所受的应力均小于材料的基本许用应力强度，满足设计要求。

根据阀体的结构和工作特性，对阀体做进一步的应力分析，在阀体的危险区域设定四条路径，其中三条接管管颈处各一条(A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2)，如图4所示。

图4 阀门应力路径规划图Fig.4 Valve stress path planning

图5至图8为线性化后的膜薄及膜薄+弯曲应力曲线。

图5 A1-A2路径薄膜及膜薄+弯曲应力曲线Fig.5 Membrane stress and Membrane+ Bending stress curve of path A1-A2

图6 B1-B2路径薄膜及膜薄+弯曲应力曲线Fig.6 Membrane stress and Membrane+ Bending stress curve of path B1-B2

图7 B1-B2路径薄膜及膜薄+弯曲应力曲线Fig.7 Membrane stress and Membrane+ Bending stress curve of path C1-C2

图8 B1-B2路径薄膜及膜薄+弯曲应力曲线Fig.8 Membrane stress and Membrane+ Bending stress curve of path D1-D2

表2为阀门上各路径的应力评定结果，在阀门承受工况，载荷、地震载荷、自身重力载荷工况下，阀门组件按照危险路径标定的最大应力均未超过其极限值，各路径上的应力都能满足许用值要求。表明阀门在该工况条件下的设计合理，满足核一级阀门结构设计要求。

表2 阀门各路径上的应力评定结果Table 2 Stress assessment results on each path of valve

4 变形校核

阀杆在组合载荷的作用下会产生变形，但变形应小于装配间隙。本分析对阀杆的最大变形量进行校核，阀杆变形图如图9所示。评定时考虑载荷组合对阀杆作用产生的实际变形为0.11 mm，而实际阀杆装配最小间隙为0.25 mm，因而满足要求。

图9 阀杆变形图Fig.9 Valve rod deformation

5 结论

本文采用有限元分析软件，建立核一级三通阀门的计算模型，探讨了内压对阀门固有频率的影响，提出了三通阀门边界条件施加方式，并进行计算得到以下结论：

(1)预应力的施加对阀门固有频率的计算影响甚微，计算固有频率时可以忽略。

(2)采用等效静力法对该阀门进行分析，计算结果表明阀门在地震、内压、重力、接管载荷等组合载荷作用下，最大应力强度符合RCC-M规范要求。

(3)目前关于三通阀门计算的文献较少，本文通过该型阀门的计算，得到核一级三通阀门的边界条件施加及计算方法。分析结果为三通类型的核一级阀门的抗震分析的边界设置及计算提供了参考，对其他核级阀门的抗震分析也有一定的借鉴意义。