核二级电动闸阀抗震分析

        一、前言
        前段时间地震和海啸引发的日本福岛核电站泄漏事故，不仅让全世界对核电安全性有所质疑，也让各国开始重新审慎各自的核安全状况。我国对在建的核设施进行全面安全检查，也暂停审批核电项目，但大力发展核电的政策并没有改变，在核电发展规模不变的情况下，将会提升核电的安全标准，在研发和生产核电设备时，要求必须进行抗震能力评估，确保核电设备在遇到如地震等重大事故时能保持完整。
        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。本抗震分析的目的就是验证设计的核二级电动闸阀在SSE地震载荷及设计组合载荷作用下的结构完整性。分析中应用弹性有限元分析方法计算阀门整机的振动模态，以及在承受地震载荷及设计组合载荷共同作用下的应力及变形，然后根据ASME规范作出应力评定和强度校核。
        二、阀门简介
        该核二级电动闸阀（型号：NB200Z960Y－100R）安全级别为二级，抗震类型为1A类。主要是由阀体、阀盖、闸板、阀杆、支架以及电动装置等零部件组成。阀体、阀盖以及闸板由材料SA351MCF8M制成，200℃以下基本许用应力值为132MPa；支架由CF8制成，200℃以下基本许用应力值为133MPa。阀体与管道通过焊接连接，阀体通过螺栓M33与阀盖联接，阀盖与支架通过螺栓M30联接，电动装置的重量约为180kg，其重心位置坐标（－120，50，1021），设备的三维装配图如图1所示（电动装置视为一刚体质量块，以质量单元加在支架上）。

图1 核二级电动闸阀三维模型图

        三、阀门的振动模态计算
        阀门振动模态计算的目的是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续计算。
        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，第一至第三阶模态振型如图2所示。

表1 阀门固有频率

图2 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，其测得的前两阶固有频率分别为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。
        四、阀门抗震分析模型
        1.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3个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。
        2.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，则其他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。

表2 载荷组合及所应用的应力限值

        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。
        3.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作一定的简化。同时考虑到电动装置的整体刚性很强，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。
        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个节点。阀门整体模型各部件之间的连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，计算有限元模型如图3所示。  

  
图3 阀门计算有限元模型

        五、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。本分析计算在事故工况下的应力，然后进行应力强度校核与评定。阀体、阀盖作为压力容器体，是基于应力分布确定典型的危险截面，根据应力分类原则，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，本分析采用第三强度理论进行评定。
        1.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

        2.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112.7MPa，支架材料为SA－351CF8M，根据ASME规范第二卷PartDTable1A查得，其基本许用应力值为138MPa，满足强度要求。
        六、螺栓与法兰计算及评定
        在内压、自重、螺栓预紧力和地震加速度联合作用下，中法兰联接螺栓的拉应力与剪应力计算结果如图6所示，中法兰的三向应力结果如图7所示，法兰螺栓应力评定见表4，中法兰应力评定见表5。

图6 中法兰联接螺栓的拉应力与剪应力
表4 法兰螺栓应力评定

图7 法兰纵向、径向、切向应力
表5 中法兰应力评定（单位：MPa）

        七、结语
        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。
        参考文献
        [1]国家地震局.GB50267—97核电厂抗震设计规范[S].北京：中国标准出版社，1997．
        [2]中国核工业总公司.EJ/T1022.14－96压水堆核电厂阀门应力分析和抗震分析[S].北京：中国标准出版社，1996.
        [3]张征明，吴莘馨，何树延.核安全级阀门的结构力学分析[J].阀门，2004（4）.
        [4]邓晶晶.柴油发电机组抗震分析[J].振动与冲击，2009，28（12）：193-197.