核電站閥門抗震分析與計算

姜偉

摘要：核電站使用閥有抗震等級要求的一部分，將會有一個閥的過程中地震，地震荷載的閥壓力邊界會產(chǎn)生一定的影響，使用核電站閥門閥必須能夠承受地震荷載應力，地震荷載分析通用閥閥固有頻率分析的有限元分析軟件，然后利用等效靜態(tài)方法計算地震荷載引起的壓力，計算等效應力和工作壓力疊加后，總壓強的應力值，然后根據(jù)評價原則止回閥壓力邊界應力強度的組件。

關鍵詞：核電站;閥門;抗震分析;計算

1閥門設計參數(shù)與材料

該閥門為核安全2級，抗震1A類旋塞閥，閥門的公稱通徑為DN80，接管尺寸為88.9×5.5mm，閥門的公稱壓力為Class150，閥門的設計壓力為1.33MPa，水壓強度試驗壓力為2.66MPa，設計溫度為150℃。

該旋塞閥主要由閥體、閥瓣、閥蓋、下閥蓋、執(zhí)行器支架、電動執(zhí)行器、螺栓螺母組成。閥門質(zhì)量為100kg，其中電動執(zhí)行器的質(zhì)量為51kg。閥體、旋塞、閥蓋、下閥蓋材料均為Z2CND17-12，閥蓋螺栓及下閥蓋螺栓材料為X6CrNiCu17-04，螺母材料為X12Cr13。計算所取材料參數(shù)如表1所示。

2閥門固有頻率

當使用有限元分析軟件計算固有頻率的閥門，應該首先簡化三維模型和一些復雜的倒角或溝地區(qū)應該取消，因為過度復雜的模型會影響模型的網(wǎng)格劃分，最終導致計算結果不準確。完成三維模型的簡化后，劃分網(wǎng)格，選擇合適的固有頻率分析求解器完成閥固有頻率的計算。只有當閥的固有頻率大于33Hz時，才能采用等效靜力法對閥進行地震分析。

3載荷

閥門的載荷包括自重、內(nèi)壓、管道載荷、地震載荷等。

3.1管道載荷

管道傳遞給閥體的載荷被稱為管道載荷。如果閥門的管道載荷大小在設計規(guī)格書中并沒有提供，我們可以依據(jù)RCC-MC3552確定閥門的管道載荷，即：

式中：Cb為彎曲載荷的應力指數(shù);ri為閥門支管內(nèi)徑，mm;Tr為閥門支管壁厚，mm;Gb為閥體支管處慣性模量;Fb為連接管道的慣性模量;De為管道外徑，mm;Di為管道內(nèi)徑，mm。

3.2地震載荷

閥門整機包括外伸機構的最低自振頻率大于33Hz的閥門，其抗震計算可采用等效靜力法，即將等效的地震加速度引起的靜載荷施加于外伸機構的重心上，且考慮空間正交三個方向的等效地震載荷同時作用。地震會給閥門帶來水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3個方向上的加速度，重力加速度是g=9.81m/s2，地震載荷的作用如圖2所示。

3.3自重

自重載荷的施加方式為在垂直Y方向施加1g的重力加速度。

3.4工況及載荷組合

由地震產(chǎn)生的載荷及其他載荷（例如內(nèi)壓、自重、管道載荷等）產(chǎn)生的應力分量或附加載荷組合如表2所示。其中地震載荷包括OBE運行基準地震載荷，以及SSE安全停堆地震載荷。

閥門的各個工況下載荷一般不會逐一計算校核，一般會取包絡的嚴酷工況來完成計算，如表3所示。

4應力計算與評定

主要針對影響閥門承壓邊界的閥體、閥蓋及閥蓋螺栓進行應力校核計算。

4.1閥體

按照RCC-MC3550章節(jié)對閥體的一次薄膜和一次薄膜加彎曲應力進行計算分析。

閥體一次薄膜應力計算公式為：

閥體一次薄膜+彎曲應力計算公式為：

式中：σm為閥體一次薄膜應力強度，MPa;σb為閥體彎曲應力強度，MPa;Af為閥體拐角區(qū)面積，mm2;Am為有效金屬面積，mm2;ri為閥體拐角區(qū)的內(nèi)半徑，mm;r為閥體拐角區(qū)平均半徑，mm;Ps為介質(zhì)壓力，MPa。

計算出的閥體一次薄膜+彎曲應力值與該閥體材料設計溫度下對應的許用應力比較，滿足計算值小于許用值。各工況下的應力許用強度值如表4所示。表4中：S為基本許用應力值，MPa;Sy為屈服強度，MPa。

4.2閥蓋

閥蓋在閥門中屬于承壓零件，可以采用RCCM-C3324章節(jié)來計算，閥蓋的計算需要同時考慮閥蓋螺栓的力矩，因此一般在計算閥蓋的同時，需要先計算閥蓋螺栓在各個工況下的力矩情況。然后依據(jù)RCCM-C3324章節(jié)來計算出在各工況下需要的最小閥蓋厚度。閥蓋的材料與閥體材料相同，因此計算時所使用的許用應力值與表3中一致。計算評定的準則是，閥蓋的實際厚度大于所需厚度即可。

結束語

本文以核電站使用的旋塞閥為例，分析了各種工況下的強度計算，給出了包括地震荷載在內(nèi)的各種工況下閥門壓力邊界強度的計算方法。提供了理論依據(jù)和技術支持，計算方法和程序可行有效。

參考文獻

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