阀门强度分析和抗震检验方法的探讨

赵银龙

哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司 黑龙江哈尔滨 150000

核电站使用阀门有相当部分会有抗震等级要求，阀门在地震过程中，地震载荷对阀门承压边界会产生一定影响，核电站使用的阀门必须能承受地震载荷给阀门带来的应力作用，阀门地震载荷的分析一般采用有限元分析软件进行阀门固有频率分析，然后用等效静力法来计算地震载荷引起的压力，并将等效压力与工作压力叠加后计算与其总压力所对应的应力值，然后根据评定原则来校核阀门承压边界零件的应力强度。本文以核级旋塞阀为例分析了阀门的固有频率计算，同时对阀门的抗震分析的一般过程做了论述，不同的阀门类型计算过程略有不同。

1 仿真分析

将闸阀全部零件进行立体建模，并确定每个零件的密度以得到阀门的精确质量。在进行应力分析时，如果在阀体的一端施加固定约束，而端部应力得不到有效释放，将在阀体端面位置产生应力奇异，最大应力可达2000MPa，这显然与现实情况相违背。根据相关经验及规定，可以在阀体进口处增加一过渡管（过渡管长度为入口管径的2～5倍），在过渡管入口施加固定约束，使应力奇异发生在管道入口。而评价分析结论时，只考核阀门的受力情况，忽略过渡管入口上出现的误导结论。这样可以真实模拟阀体的受力情况，得出相对准确的应力分析值。在ASME法规中，着重关注阀门承压边界的受力情况。因此，只取阀体、阀盖和过渡管组成的装配体为研究对象。在阀体右侧的中腔与支管交界位置，根据经验划分出3条阀体的应力评定线。同时将模型转化到ANSYSWorkbench软件中。在ANSYS软件中，对阀体、阀盖、过渡管赋予材料属性，对支架、过渡头和执行机构等省略掉的零件以一个有质量的点代替，并选择阀体与阀盖相接触的表面作为支撑质量点位置的平面。分别选取过渡管与阀体、阀体与阀盖相接触的表面为零件间的接触面，选择约束类型为bonded绑定约束。对模型进行网格划分处理，同时进行网格收敛性验证。设定热应力分析参数，选择过渡管、阀体和阀盖中与介质相接触的表面设定设计温度，选择阀体的外表面确定对流换热系数。在结构分析选项中输入Z轴方向重力加速度9806.6mm/s2，在X、Y轴输入OBE和SSE等效重力加速度的地震载荷，用于考虑B、D等工况下的地震载荷输入。选择阀体出口端面作为受力面，在X、Y、Z轴方向分别输入技术规格书要求的管道反作用力和扭矩。计算得出应力评定线上的薄膜应力和薄膜加弯曲应力[1]。

2 阀门强度分析和抗震检验方法的探讨

2.1 阀盖螺栓

阀盖螺栓的主要作用是保证阀门的阀盖和阀体的连接，螺栓提供一定的预紧力，保证阀门在介质载荷、地震载荷及其他多种组合载荷的作用下阀门的结构完整及垫片的有效密封。保证阀门承压边界安全性及阀门密封性。在阀门地震工况下螺栓的受力主要是由于外伸机构的偏心导致，外伸机构的质量在三个方向上的加速度的作用下，使得连接螺栓需要提供更大的预紧力，来保证阀门密封性及承压边界完整性。

2.2 CAD参数化技术

传统几何造型的方法在设计初期就要确定模型的几何关系，且在后续操作中如需修改只能重新设计，容错率很低，明显增大了工作量。而参数化技术在处理结构相似或相同的三维产品模型时，通过对参数的修改便可以更改设计图形的尺寸以及相互之间的配合以及公差关系，使得所设计的产品重新自动生成，这显著的提高了设计效率[2]。

2.3 设备描述

核级安全壳隔离阀在核电站中属于安全级关键设备。其在核电站中的主要功能是作为安全屏障阀使用。同时，在某些工况下，核级通风隔离阀及其系统则为核岛通风和排风系统进行工作，排出安全壳厂房的热风，即：①系统正常运行时，核级通风隔离阀充当了通风系统控制部件，根据系统要求，或开，或关；②系统检修时，阀门处于关闭状态；③当核岛反应堆出现事故时，阀门快速关闭，切断安全壳与外界的联系，亦或事故状态部分阀门开启，进行排风作业，直至人员全部撤离后，所有安全壳配套的核级安全壳隔离阀全部关闭。④安全壳隔离阀工作原理阀体为静止部件，阀板通过花键与轴固定连接，阀轴和驱动装置之间用花键连接，阀轴上下两端用轴承支撑，阀门动作时，驱动装置带动阀轴，阀轴带动阀板，实现阀门的启闭。安全壳隔离阀的驱动装置主要由电动装置（附手动）、丝杆、曲柄机构、电磁离合器、弹簧缸等组成，执行启闭动作时，执行器驱动蜗轮通过电磁离合器带动滚珠丝杠运动，通过轴套带动蝶板转动，驱动装置采用了不等速连杆式驱动机构。在定速定力矩操作时，连杆机构不等速运行，驱动装置具有小力矩快速回转，大力矩低速启闭阀门的特殊性能，操作过程中及阀门打开后执行机构内的电磁离合器带电，通过与蜗轮蜗杆副的啮合达到自锁，而使阀门的蝶板停留在任何位置。打开过程中执行机构内的弹簧被逐渐压缩储能，当阀门需要关闭时，通过控制室指令使电磁离合器断电，执行机构失去电磁离合器的控制在压缩弹簧的推动下带动阀板运转，实现阀门快速关闭[3]。

3 结语

①进一步加快计算机辅助设计CAD参数化技术和CAE技术对阀门设计的应用和理解，加快完善参数化系统以及参数化装配技术，提高阀门设计能力。②核级阀门强度计算方法可以按照与RCC－M规范和ASME规范中大体的框架来进行，具体细节、具体问题等需要依据其工程经验及实际需求进行处理，同时，所用材料、焊接锻造工艺、误差控制范围、腐蚀裕量等是有区别的，这些需要通过大量的试验、调研来完成。