核级防冲击波阀抗震安全性能评估

罗娟 罗家成 孙磊

摘 要：核级设备在设计安装时必须对其抗震性能进行安全评定，核安全相关法规要求核电厂中所有抗震I类设备均应按安全停堆地震（SSE）进行设计，进行强度校核以保证结构的完整性；对某些有功能性要求的设备，还应进行变形分析以保证功能完整性。该文采用有限元方法，对某核级防冲击波阀的抗震安全评定方法进行了研究，按照ASME规范AG-1卷的设计准则对结构在地震及与其他载荷组合下的应力和变形进行评定，结果表明，该防冲击波阀的抗震安全性能满足规范的要求。

关键词：核级防冲击波阀 有限元 抗震分析 应力评定 变形评定

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0114-02

核电厂中安全级设备都应满足相关规范的强度要求，设备的地震响应尤为重要。某型核级防冲击波阀安全等级为3级，抗震类别为I类，在设计时需要进行地震载荷下的抗震计算以及与其他载荷组合的应力分析与评定工作[1-2]，从而为防冲击波阀的抗震设计提供依据。

1 结构描述

核电厂采用的某型防冲击波阀规格为800 mm×800 mm，由阀芯（框架、叶片、轴、轴承、连杆、弹簧）和支架等组成。阀芯如图1所示。阀芯迎波面通过同规格且跨度为100 mm的支架焊接在预埋扁钢上，一端通过风管固定。

该防冲击波阀使用的主要材料为：阀门框架、叶片、轴采用304L，支架与风管采用Q235B。材料力学特性见表1。

2 力学模型

2.1 有限元模型

采用ANSYS[3]建立结构有限元模型，其中阀门框架、叶片、支架均采用壳单元（SHELL181），轴、螺栓采用梁单元（BEAM188）。针对阀门关闭和开启两种状态分别建立有限元模型，如图2、图3所示。

2.2 边界条件

模态分析时，在阀门与风管连接法兰的螺栓位置处施加平动位移约束，支架与墙体连接位置处加固定约束，如图2和图3所示。

对于应力分析，阀门一端连接长3 m、厚1.5 mm的风管并固定约束风管末端面，支架与墙体连接位置处加固定约束，阀芯与风管连接处加平动位移约束。

3 载荷条件

根据ASME AG-1[2]中设备设计需要考虑的载荷，结合该阀应用过程中实际受载情况，输入载荷包括：（1）自重（DW）：阀芯和支架总质量125.7 kg；（2）冲击波压力（Pc）：21 kPa；（3）检修活载（L）：70 kg；（4）流体动量载荷（FML）：20 m/s；（5）风管载荷（EL）；（6）地震载荷，根据设计文件，该阀基阶频率大于33 Hz。依照规范，对基频大于33 Hz的模型采用等效静力法进行抗震分析。结构的运行基准地震（OBE）载荷3个方向均为3.2 g，安全停堆地震（SSE）载荷3个方向均为4.0 g。抗震分析的载荷组合见表2。

4 计算结果分析

4.1 模态分析结果

采用Block Lanczos方法进行模态分析，得到结构前三阶固有频率如表3所示。由表3可知，阀门开启和关闭结构的一阶固有频率分别为60.48 Hz和86.80 Hz，验证了使用等效静力法的合理性。

4.2 应力评定方法和结果

根据ASME AG-1，板壳型部件的设计验证分析方法通常采用基于最大应力理论的弹性分析，其控制应力是薄膜应力和弯曲应力，根据规范可确定各使用等级下材料的薄膜和弯曲应力限值，具体计算结果见表4。

抗震分析时在结构X、Y和Z三个方向分别输入OBE和SSE地震载荷，将三个方向的计算结果采用SRSS方法进行振型组合，再加上各使用等级对应的载荷，即可得到各工况下结构的应力计算结果，如表4所示。表中σ1表示薄膜应力，σ1+σ2表示薄膜加弯曲应力。从表4可知，该阀的薄膜应力和薄膜加弯曲应力都小于相应的应力限值，满足ASME规范的要求。

4.3 变形评定方法和结果

考虑结构失效的控制模式，对于抗震1类设备可进一步采用基于最大变形的弹性分析进行变形限制，以确保设备功能完整性。ASME AG-1中采用设备功能不被削弱时可能承受的最大变形进行变形限制。

对于所研究的防冲击波阀，从保守角度，采用叶片外缘与阀门框架内壁之间的最小间隙作为变形限制基准，即dmax=5 mm。计算得到各使用等级下结构的变形分析及评定结果见表5。由表5可以看到，关闭模型因受到冲击波载荷作用其最大变形远大于开启模型，但各工况下开启和关闭模型的变形均满足规范要求。

5 结语

文章对某核级防冲击波阀的抗震安全评估方法进行了研究，利用ANSYS软件，依照ASME规范对结构进行了抗震分析和安全评定，结果表明结构的抗震设计满足上述规范的要求。

参考文献

[1] GB 50267-97核电厂抗震设计规范[S].1998.

[2] ASME AG-1.Nuclear air and gas treatment[S].2003.

[3] 刘浩.ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2014.