核电站用背压调节阀的抗震分析

2018-04-16刘银芳金维武尤国英

机械制造 2018年2期

□ 刘银芳 □ 金维武 □ 尤国英

中国船舶重工集团公司第七0三研究所无锡分部江苏无锡 214151

1　研究背景

设备的安全可靠性是核电站建造时必须关注的问题，许多国家都建立了完善的有关核电站安全的法规和规范［1-3］。设备的抗震设计是核电站设计的重要内容，必须严格执行抗震设计和鉴定的有关标准和规范［4-5］，进而确保设备在发生安全停堆地震时能够维持结构的完整性和可运行性。

背压调节阀是“华龙一号”核电机组化学与容积控制系统中的重要设备。笔者对该背压调节阀进行抗震应力分析，进而验证其抗震性能是否满足RCC-M规范的要求。

该背压调节阀的抗震要求是1I，即在发生安全停堆地震时能够保持压力边界完整［6］。需要保持压力边界完整的零件包括阀体、阀盖、双头螺柱和六角螺母。因此，抗震应力分析时，主要对承压部件——阀体、阀盖和双头螺柱进行应力评定。

2　计算方法

由于背压调节阀结构复杂，因此应用SolidWorks软件建立阀门的三维实体模型，然后导入ANSYS Workbench［7-8］软件进行力学建模、分析设置与求解，最后进行结果后处理。

目前，抗震分析［9-12］的方法主要有三种：等效静力法、响应谱法和时间历程法。其中，时间历程法的计算结果最为准确，但是比较复杂，计算时间长；而等效静力法与响应谱法相对简单，同时也能较为准确地反映结构的响应特性。当结构的第一阶固有频率大于33 Hz时，可采用等效静力法。

采用兰乔斯法进行模态分析，分析结果表明，结构第一阶固有频率大于33 Hz，属于刚性结构，因此采用等效静力法进行地震响应计算。

3　力学模型

3.1　结构描述

背压调节阀的主要设计参数见表1，三维几何模型如图1所示。

3.2　材料参数

背压调节阀主要承压部件的材料为M3301牌号Z2CND18-12和M5110牌号Z6CN18-10，依据RCCM规范附录，材料的力学性能参数见表2。表2中，Sy为材料在设计温度（260℃）下的屈服强度，Su为材料在设计温度下的抗拉强度，S为材料的基本许用应力。

表1　背压调节阀设计参数

▲图1 背压调节阀三维几何模型

表2　材料力学性能参数

3.3　有限元模型

采用4节点实体单元进行自动网格划分，共计135 325个单元、223 500个节点。螺栓与阀盖之间的连接采用接触单元，并对每个螺栓施加40 N·m预紧力矩。流体进口端法兰面施加固定约束，出口端法兰面施加管道反作用力矩载荷。背压调节阀有限元计算模型如图2所示。

▲图2 背压调节阀有限元计算模型

3.4　载荷条件

自重载荷PDW为结构本身的重力载荷，作用方向为竖直向下，即负Z轴方向。取1.25倍设计压力作为计算输入的内部压力P，作用于背压调节阀与流体接触的表面。机械载荷PF包括背压调节阀内部弹簧的反作用力780 N。管口载荷PNL为管道对背压调节阀的反作用力118.9 N·m，作用于流体出口法兰端面。地震载荷PSSE按静力载荷输入，同时作用在三个坐标轴方向，地震加速度幅值为7.2g。

根据上述载荷条件，考虑两种载荷组合工况。

我看见她炒菜时，因动作太生猛，洒了一些油在燃气灶上，于是连声咒骂，因为注意力分散，接着又被油锅里溅出的热油烫着了。

（1）正常工况，为A级载荷准则，载荷组合为PDW+P+PF+PNL。

（2）紧急工况，为C级载荷准则，载荷组合为PDW+1.2P+PF+PNL+PSSE。