核电站阀门抗震分析与计算

姜伟

摘要：核电站使用阀有抗震等级要求的一部分，将会有一個阀的过程中地震，地震荷载的阀压力边界会产生一定的影响，使用核电站阀门阀必须能够承受地震荷载应力，地震荷载分析通用阀阀固有频率分析的有限元分析软件，然后利用等效静态方法计算地震荷载引起的压力，计算等效应力和工作压力叠加后，总压强的应力值，然后根据评价原则止回阀压力边界应力强度的组件。

关键词：核电站;阀门;抗震分析;计算

1阀门设计参数与材料

该阀门为核安全2级，抗震1A类旋塞阀，阀门的公称通径为DN80，接管尺寸为88.9×5.5mm，阀门的公称压力为Class150，阀门的设计压力为1.33MPa，水压强度试验压力为2.66MPa，设计温度为150℃。

该旋塞阀主要由阀体、阀瓣、阀盖、下阀盖、执行器支架、电动执行器、螺栓螺母组成。阀门质量为100kg，其中电动执行器的质量为51kg。阀体、旋塞、阀盖、下阀盖材料均为Z2CND17-12，阀盖螺栓及下阀盖螺栓材料为X6CrNiCu17-04，螺母材料为X12Cr13。计算所取材料参数如表1所示。

2阀门固有频率

当使用有限元分析软件计算固有频率的阀门，应该首先简化三维模型和一些复杂的倒角或沟地区应该取消，因为过度复杂的模型会影响模型的网格划分，最终导致计算结果不准确。完成三维模型的简化后，划分网格，选择合适的固有频率分析求解器完成阀固有频率的计算。只有当阀的固有频率大于33Hz时，才能采用等效静力法对阀进行地震分析。

3载荷

阀门的载荷包括自重、内压、管道载荷、地震载荷等。

3.1管道载荷

管道传递给阀体的载荷被称为管道载荷。如果阀门的管道载荷大小在设计规格书中并没有提供，我们可以依据RCC-MC3552确定阀门的管道载荷，即：

式中：Cb为弯曲载荷的应力指数;ri为阀门支管内径，mm;Tr为阀门支管壁厚，mm;Gb为阀体支管处惯性模量;Fb为连接管道的惯性模量;De为管道外径，mm;Di为管道内径，mm。

3.2地震载荷

阀门整机包括外伸机构的最低自振频率大于33Hz的阀门，其抗震计算可采用等效静力法，即将等效的地震加速度引起的静载荷施加于外伸机构的重心上，且考虑空间正交三个方向的等效地震载荷同时作用。地震会给阀门带来水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3个方向上的加速度，重力加速度是g=9.81m/s2，地震载荷的作用如图2所示。

3.3自重

自重载荷的施加方式为在垂直Y方向施加1g的重力加速度。

3.4工况及载荷组合

由地震产生的载荷及其他载荷（例如内压、自重、管道载荷等）产生的应力分量或附加载荷组合如表2所示。其中地震载荷包括OBE运行基准地震载荷，以及SSE安全停堆地震载荷。

阀门的各个工况下载荷一般不会逐一计算校核，一般会取包络的严酷工况来完成计算，如表3所示。

4应力计算与评定

主要针对影响阀门承压边界的阀体、阀盖及阀盖螺栓进行应力校核计算。

4.1阀体

按照RCC-MC3550章节对阀体的一次薄膜和一次薄膜加弯曲应力进行计算分析。

阀体一次薄膜应力计算公式为：

阀体一次薄膜+弯曲应力计算公式为：

式中：σm为阀体一次薄膜应力强度，MPa;σb为阀体弯曲应力强度，MPa;Af为阀体拐角区面积，mm2;Am为有效金属面积，mm2;ri为阀体拐角区的内半径，mm;r为阀体拐角区平均半径，mm;Ps为介质压力，MPa。

计算出的阀体一次薄膜+弯曲应力值与该阀体材料设计温度下对应的许用应力比较，满足计算值小于许用值。各工况下的应力许用强度值如表4所示。表4中：S为基本许用应力值，MPa;Sy为屈服强度，MPa。

4.2阀盖

阀盖在阀门中属于承压零件，可以采用RCCM-C3324章节来计算，阀盖的计算需要同时考虑阀盖螺栓的力矩，因此一般在计算阀盖的同时，需要先计算阀盖螺栓在各个工况下的力矩情况。然后依据RCCM-C3324章节来计算出在各工况下需要的最小阀盖厚度。阀盖的材料与阀体材料相同，因此计算时所使用的许用应力值与表3中一致。计算评定的准则是，阀盖的实际厚度大于所需厚度即可。

结束语

本文以核电站使用的旋塞阀为例，分析了各种工况下的强度计算，给出了包括地震荷载在内的各种工况下阀门压力边界强度的计算方法。提供了理论依据和技术支持，计算方法和程序可行有效。

参考文献

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