核级电动闸阀如何分析抗震性？

作者：陈天敏

核电阀门做为核电站中重要的安全设备之一，必须能承受核电厂寿命期内的使用载荷和地震载荷，并能保持压力边界完整和不丧失功能，因此在设计核级阀门样机时必须要进行应力计算和抗震分析。

1.阀门简介

某核二级电动闸阀（型号：NB200Z960Y-100R）安全级别为二级，抗震类型为1A类，其主要设计参数见表1。

表1 阀门固有频率

模态阶数	频率/Hz	模态振型说明
1	43.66	水平X方向（轴向）的振动
2	63.77	水平Z方向（侧向）的振动
3	262.21	垂直Y方向的振动

阀体、阀盖、闸板材料：SA351MCF8M，200℃下基本许用应力值为132 MPa；

支架材料：CF8制成，200℃下基本许用应力值为133 MPa。

阀体与管道通过焊接连接，阀体通过螺栓M33与阀盖连接，阀盖与支架通过螺栓M30连接，电动装置的重量约为180kg, 其重心坐标（-120,50,1021）。

核二级电动闸阀三维模型

           

2.振动模态计算

目的：确定第一阶固有频率是大于还是小于33Hz，从而确定是利用等效静力方法还是动力分析方法来进行后继计算。

对阀门进出口法兰的端面进行固定约束，进行模态计算，提取三阶固有频率数，其计

算结果见表1。

阀门前三阶模态振型

根据该阀门在中国核动力研究院进行的试验报告，其测得的前三阶固有频率分别为41.45Hz，56.38Hz，第三阶＞100Hz,计算基频与试验结果基本一致。由于该阀门最低固有频率都超过33Hz，可视为刚性结构，因此，可用等效静力分析方法进行抗震分析。

3.抗震分析模型

地震载荷输入

通常当设备固有频率大于33HZ时，可采用等效静力分析方法进行计算，即SSE地震载荷取三方向的加速度值做为地震输入。这里根据《研制任务书》规定,两个水平方向作用5g地震加速度值，垂直方向作用3.5g加速度值。

载荷组合与应力限值

抗震分析一般只对第二类和第四类工况进行，第二类工况考虑OBE地震，第四类工况考虑SSE地震。这里为了计算方便和结果保守起见，在进行建模计算和限值评定时，使用最严重的载荷组合（即事故工况D级载荷）和最严格的应力限值(即A级的应力限值)，见表2。因此，如果这种情况下的应力限值得到满足，则其它工况的计算结果也必小于相应的应力限值，即设计和A、B、C 级工况均可满足。

本次核阀抗震分析充分考虑设计压力、设计温度、设备自重、螺栓预紧力等使用载荷和地震载荷。阀门的设计压力为6.4Mpa，为计算保守，事故工况下作用压力取值为1.5倍设计压力，阀门的设计温度主要用来确定此温度下材料的许用应力，而不考虑由于温度作用产生的热应力（为二次应力，这里相对由压力引起的应力来说，数值很小，基本可忽略不计），螺栓预紧力值则根据满足紧密要求的设计计算获得，设备自重考虑为在设备施加1g的重力加速度。

表2 载荷组合及所应用的应力限值

工况	载荷组合	应力限值
设计和正常工况 （A级使用限制）	设计压力 设计温度 设备自重 其它运行载荷	σm≤1.0S σm（或σL）+σb≤1.5S
事故工况 （D级使用限制）	事故工况下压力 事故工况下温度 设备自重 SSE载荷 其它运行载荷	σm≤2.0S σm（或σL）+σb≤2.4S

注：表中的应力限值取自ASME规范第III 篇表NC-3521-1，表中标识符意义如下：

σm:总体薄膜应力强度  σb:一次弯曲应力强度  σL:局部薄膜应力  S:最大许用应力值

抗震分析有限元模型

在建模时,在不影响分析结果的前提下对阀门结构部件做一定的简化。同时考虑到电动装置的整体刚性很强, 它对阀门的主要作用是施加惯性载荷, 因此在计算中将电动装置简化为在其质心处的一个集中质量点, 通过多点约束的形式连接到支架的上端面上。

利用强大的前处理软件HyperMesh建立三维有限元模型，模型采用SOLID95实体单元和TARGE170、CONTA174接触单元及PRETS179预紧单元、MASS21质量单元, 一共划分129627个单元，373086个结点。阀门整体模型各部件之间的联接主要通过网格节点协调连续、MPC约束、建立接触对的方法进行处理。

考虑最恶劣的工况承受最不利的载荷组合，计算事故工况（1.5×设计内压+螺栓预紧力+设备自重+SSE载荷），在阀门进出口法兰的端面进行固定约束，作用均布压力为6.4*1.5=9.6MPa，螺栓预紧力值根据设计计算书获得，SSE地震载荷按照水平方向5g、垂直方向3.5g加速度设置，自重影响只在垂直方向设置为1g加速度。

                   

阀门计算有限元模型

4.承压边界计算结果及评定

阀门承压边界的分析对象包括阀体、阀盖，利用ASME规范进行应力强度评定。而对于支架，由于采用不锈钢塑性材料，为了保守起见，采用第三强度理论进行评定。

阀体、阀盖应力评定

图4为阀门整机在内压、自重、螺栓预紧力和SSE地震载荷组合作用下的应力强度计算结果云图。选取的阀体、阀盖薄弱部位的应力评定截面（穿过壁厚的应力评定线）如图5所示，利用ANSYS后处理器的Path功能计算评定截面的薄膜应力σm和薄膜加弯曲应力σm +σb，最大薄膜应力发生在B-B截面，值为73.64MPa，最大薄膜加弯曲应力也产生在B-B截面，值为113.85MPa，本分析中用应力限值保守地取A级的限值，即σm≤1.0S,σm +σb≤1.5S，S为阀体、阀盖的许用应力，值为132MPa,薄弱部位的应力评定结果见表3。

         

图4  阀门总体应力强度云图                图5  应力评定截面示意图

表3 阀体、阀盖各薄弱部位的应力评定结果

应力评定线 分析内容	A-A	B-B	C-C	D-D
薄膜应力σm	43.10	73.64	38.85	57.07
薄膜应力限值1.0S	132	132	132	132
膜加弯曲应力σm +σb	97.20(I)	113.85(I)	78.80(I)	97.53(O)
膜加弯应力限值1.5S	198	198	198	198
结论	合格	合格	合格	合格

注：①应力单位均为MPa，I是指壁厚方向的内表面，O是指壁厚方向的外表面。

支架强度校核

    在内压、自重、螺栓预紧力和SSE地震载荷组合作用下，支架的最大应力强度值为112.7 MPa，支架材料为SA-351 CF8M，根据ASME规范第二卷Part D Table 1A查得，其基本许用应力值为138MPa，满足强度要求。

5.螺栓与法兰计算及评定                      

中法兰联接螺栓

在内压、自重、螺栓预紧力和地震加速度联合作用下,法兰螺栓应力评定见表3，中法兰应力评定见表4。

中法兰联接螺栓的拉应力与剪应力

法兰纵向、径向、切向应力

6.结论

本抗震分析采用最恶劣的工况、最不利的载荷组合，计算阀门设备的各重要部件的应力，然后利用最严格的应力限值（评定准则）来进行评定。核二级电动闸阀经过抗震分析表明:

1）阀门自振频率高于33Hz，可近似认为是刚性结构，具有良好的抗震性能。

2）承压边界阀体、阀盖在各种规定载荷综合作用下产生的薄膜应力(σm)、薄膜加弯曲应力(σm+σb)都在适当的许用值范围内，支架的等效应力值小于许可应力，不会产生屈服破坏，满足强度要求。

3）中法兰及其联接螺栓的各类应力均在要求的限值内，能保持结构边界的连接。

因此，在内压、螺栓预紧力和地震载荷联合作用下，该阀门能保持结构的完整性。