核岛厂房阀门支架优化设计

许克凤 张手琴 王斌斌

目前管道支架设计时，设计人员重点关注的是支架应力强度和刚度条件是否满足设计规范要求，对支吊架结构的合理性以及操作施工便利性关注度不够。某核电站现场施工发现，由于设计人员不同，思路各异，很多管道支架设计形式不统一、不合理，不仅不美观而且对工程运行安全和建造工期都产生了不利影响。

阀门支架的功能主要是承受阀门自重、限制阀门某个方向上位移和防止阀门震动，为满足阀门的抗震需要，通过增加阀门支架来保证阀门整体结构的一阶固有频率大于33HZ，以满足工艺管道力学计算要求。常见阀门支架功能有：导向支架、固定支架、限位支架等。由于不同阀门供货商所生产的阀门外形不统一，提供的支撑点位置不一样，导致阀门支架在实现其功能时无法使用标准部件，须针对每个阀门的外形特点和支撑条件进行单独设计。

本文主要从阀门支吊架案例出发，从结构设计形式、功能实现等方面阐述阀门支吊架的设计质量问题。

一、阀门支架设计原则

对于核电站用气动或电动头的阀门,因其重量较重,需对气动头或电动头进行支撑,现有核电站均采用钢板支撑的方式来实现阀门支架预功能。其中导向功能主要是通过钢板的柔性变形来实现，如果设置的钢板板厚过厚或者管道传递载荷过小无法实现阀门向预定矢量方向线位移或者角位移，也就无法满足阀门支架功能要求。对于固定功能的阀门支架主要是通过支撑钢板的刚度来实现。

因此，为了尽可能实现阀门支架设计功能，确定了阀门支撑板的厚度选取原则，如下：对于固定功能阀门支架,支承板厚度为e≥10mm；对于轴向导向阀门支架，支承板厚度为e≤4mm；当支承板厚度为4mm

气动/电动阀门本体支架由型钢、钢板焊接而成，对阀门检修部件拆解存在干涉，需每次进行切割支架工作。一方面严重影响了检修工期；另一方面若阀门处在高剂量区域，额外增加了人员照射的危险。

为了满足阀门支架维修安装的便利性，减少维修工作量，降低辐射风险，对阀门支撑板的固定方式规定如下：支撑位置尽量使用阀门厂家所规定位置；如确实需借用阀门本体螺栓进行紧固，需向厂家提供拟支撑板的厚度，以确保阀门所配螺栓露出长度满足安装规范要求；阀门支撑板与阀体之间的连接，须采用螺栓连接,以确保阀门维修安装的便利性；阀门支架设计时，要避免支架与阀门周围本体上物项的干涉，导致阀门无法开启的状况发生。

二、阀门支架设计典型问题分析

(一)按阀门支架设计图纸,经常采用气动或电动阀门自带螺栓固定支撑钢板与阀门本体，支撑钢板与支架支撑梁之间的节点连接为焊接。阀门安装完成后,后续拆装检修时需将气动头与阀体分离，此设计需切割支撑梁,才能移动阀门,给现场维修工作造成不便,如图1所示。

图1 阀门支架设计图

(二)阀门支撑板选型时,未按照阀门功能选用板厚,会导致支撑板柔性不足不能满足阀门支架预定功能；

(三)阀门支架用自带螺栓固定支撑板后,导致螺栓露出螺纹不满足规范要求；

设计者在设计支承板式阀门支架时，常机械地采用第一节所述设计原则，而不理解相关计算原则，从而导致设计问题的出现。

三、阀门支架设计改进措施

为解决上述阀门支架的典型设计质量问题,首先，设计者在确定设计方案时，要明确阀门支架与普通管道支架的设计原则是一致的，都需要遵循RCC-M[1]的相关规定。支承板应遵循H篇板壳式支撑件的相关规定，即薄膜应力和弯曲应力均应满足规范要求。其次，设计者在考虑将支撑板焊接改为螺栓连接(如图2所示)，以满足现场拆装、检修便利性的同时，设计过程中需对阀门支撑钢板及螺栓进行强度校核，并对螺栓安装长度进行核实。综上，为验证支撑板的厚度是否能实现预定功能，及螺栓强度能否满足设计要求，支承板式阀门支架设计应满足以下三个原则：一是支架应满足RCC-M中对于结构应力的规定；二是约束方向上支承板应有足够的刚度，使得约束方向的支架刚度远大于管道刚度；三是非约束方向上支承板不应妨碍管道运动，可将板的刚度代入管道力学计算中验算。

图2 阀门支架栓接设计图

支撑板强度和刚度的核算主要采用ANSYS程序，一是搭建阀门支撑板的计算模型，如图3所示；二是编写MAC文件，如图4所示；三是在ANSYS程序里运行MAC文件，得到应力云分布图及应力计算结果，如图5所示；四是根据计算结果评定螺栓强度，如图6所示。如果以上力学核算过程均满足设计规范要求，则此阀门支架设计合理可行，否则，需重新进行支撑板板厚和螺栓选型计算。

图3 钢板放置方式及建模示意图

图4 MAC文件编写示意图

图5 应力云分布图及应力结果

图6 螺栓应力校核

四、结语

管道支吊架的设计质量涉及力学、施工等多个方面，本文所涉阀门支吊架设计问题主要是对支吊架的力学知识和施工要求理解不充分而导致的。后续设计者要学习现场施工和力学计算知识，确保设计上能实现支架预设功能，并满足支架强度刚度设计要求，同时尽量将阀门支架结构简化，使得支撑结构占用空间小，避免与周围物项的碰撞并降低造价；对于设置在辐射区内的阀门，阀门支撑板与阀门本体的连接为螺栓连接后，提高了拆装便利性能降低检修人员受辐照的概率，保证运维人员的安全。合理的阀门支架结构和功能设计，确保了管系运行的安全性。

阀门支架是较为特殊的管道支架，对于阀门支架的计算应首先核算应力条件，然后再考虑刚度是否满足要求。支承板结构的阀门支架支承板的厚度应以力学核算为准，不能机械套用国外工程的规定。