核級(jí)防沖擊波閥抗震安全性能評(píng)估

羅娟 羅家成 孫磊

摘 要：核級(jí)設(shè)備在設(shè)計(jì)安裝時(shí)必須對(duì)其抗震性能進(jìn)行安全評(píng)定，核安全相關(guān)法規(guī)要求核電廠中所有抗震I類設(shè)備均應(yīng)按安全停堆地震（SSE）進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行強(qiáng)度校核以保證結(jié)構(gòu)的完整性；對(duì)某些有功能性要求的設(shè)備，還應(yīng)進(jìn)行變形分析以保證功能完整性。該文采用有限元方法，對(duì)某核級(jí)防沖擊波閥的抗震安全評(píng)定方法進(jìn)行了研究，按照ASME規(guī)范AG-1卷的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)結(jié)構(gòu)在地震及與其他載荷組合下的應(yīng)力和變形進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果表明，該防沖擊波閥的抗震安全性能滿足規(guī)范的要求。

關(guān)鍵詞：核級(jí)防沖擊波閥 有限元 抗震分析 應(yīng)力評(píng)定 變形評(píng)定

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（c）-0114-02

核電廠中安全級(jí)設(shè)備都應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)度要求，設(shè)備的地震響應(yīng)尤為重要。某型核級(jí)防沖擊波閥安全等級(jí)為3級(jí)，抗震類別為I類，在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行地震載荷下的抗震計(jì)算以及與其他載荷組合的應(yīng)力分析與評(píng)定工作[1-2]，從而為防沖擊波閥的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)描述

核電廠采用的某型防沖擊波閥規(guī)格為800 mm×800 mm，由閥芯（框架、葉片、軸、軸承、連桿、彈簧）和支架等組成。閥芯如圖1所示。閥芯迎波面通過同規(guī)格且跨度為100 mm的支架焊接在預(yù)埋扁鋼上，一端通過風(fēng)管固定。

該防沖擊波閥使用的主要材料為：閥門框架、葉片、軸采用304L，支架與風(fēng)管采用Q235B。材料力學(xué)特性見表1。

2 力學(xué)模型

2.1 有限元模型

采用ANSYS[3]建立結(jié)構(gòu)有限元模型，其中閥門框架、葉片、支架均采用殼單元（SHELL181），軸、螺栓采用梁?jiǎn)卧˙EAM188）。針對(duì)閥門關(guān)閉和開啟兩種狀態(tài)分別建立有限元模型，如圖2、圖3所示。

2.2 邊界條件

模態(tài)分析時(shí)，在閥門與風(fēng)管連接法蘭的螺栓位置處施加平動(dòng)位移約束，支架與墻體連接位置處加固定約束，如圖2和圖3所示。

對(duì)于應(yīng)力分析，閥門一端連接長(zhǎng)3 m、厚1.5 mm的風(fēng)管并固定約束風(fēng)管末端面，支架與墻體連接位置處加固定約束，閥芯與風(fēng)管連接處加平動(dòng)位移約束。

3 載荷條件

根據(jù)ASME AG-1[2]中設(shè)備設(shè)計(jì)需要考慮的載荷，結(jié)合該閥應(yīng)用過程中實(shí)際受載情況，輸入載荷包括：（1）自重（DW）：閥芯和支架總質(zhì)量125.7 kg；（2）沖擊波壓力（Pc）：21 kPa；（3）檢修活載（L）：70 kg；（4）流體動(dòng)量載荷（FML）：20 m/s；（5）風(fēng)管載荷（EL）；（6）地震載荷，根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該閥基階頻率大于33 Hz。依照規(guī)范，對(duì)基頻大于33 Hz的模型采用等效靜力法進(jìn)行抗震分析。結(jié)構(gòu)的運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）載荷3個(gè)方向均為3.2 g，安全停堆地震（SSE）載荷3個(gè)方向均為4.0 g。抗震分析的載荷組合見表2。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 模態(tài)分析結(jié)果

采用Block Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前三階固有頻率如表3所示。由表3可知，閥門開啟和關(guān)閉結(jié)構(gòu)的一階固有頻率分別為60.48 Hz和86.80 Hz，驗(yàn)證了使用等效靜力法的合理性。

4.2 應(yīng)力評(píng)定方法和結(jié)果

根據(jù)ASME AG-1，板殼型部件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析方法通常采用基于最大應(yīng)力理論的彈性分析，其控制應(yīng)力是薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，根據(jù)規(guī)范可確定各使用等級(jí)下材料的薄膜和彎曲應(yīng)力限值，具體計(jì)算結(jié)果見表4。

抗震分析時(shí)在結(jié)構(gòu)X、Y和Z三個(gè)方向分別輸入OBE和SSE地震載荷，將三個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果采用SRSS方法進(jìn)行振型組合，再加上各使用等級(jí)對(duì)應(yīng)的載荷，即可得到各工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如表4所示。表中σ1表示薄膜應(yīng)力，σ1+σ2表示薄膜加彎曲應(yīng)力。從表4可知，該閥的薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力都小于相應(yīng)的應(yīng)力限值，滿足ASME規(guī)范的要求。

4.3 變形評(píng)定方法和結(jié)果

考慮結(jié)構(gòu)失效的控制模式，對(duì)于抗震1類設(shè)備可進(jìn)一步采用基于最大變形的彈性分析進(jìn)行變形限制，以確保設(shè)備功能完整性。ASME AG-1中采用設(shè)備功能不被削弱時(shí)可能承受的最大變形進(jìn)行變形限制。

對(duì)于所研究的防沖擊波閥，從保守角度，采用葉片外緣與閥門框架內(nèi)壁之間的最小間隙作為變形限制基準(zhǔn)，即dmax=5 mm。計(jì)算得到各使用等級(jí)下結(jié)構(gòu)的變形分析及評(píng)定結(jié)果見表5。由表5可以看到，關(guān)閉模型因受到?jīng)_擊波載荷作用其最大變形遠(yuǎn)大于開啟模型，但各工況下開啟和關(guān)閉模型的變形均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

文章對(duì)某核級(jí)防沖擊波閥的抗震安全評(píng)估方法進(jìn)行了研究，利用ANSYS軟件，依照ASME規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析和安全評(píng)定，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)滿足上述規(guī)范的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50267-97核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1998.

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

[3] 劉浩.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.