大型先進(jìn)壓水堆常規(guī)島大口徑抽汽止回閥的應(yīng)力分析*

岳 陽(yáng)，劉寶軍

(1.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司，江蘇 蘇州 215129； 2.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094)

0 引 言

大型先進(jìn)壓水堆常規(guī)島抽汽止回閥是核電站中的關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備起著安全保護(hù)作用。在核電站的正常、安全和穩(wěn)定運(yùn)行具有極為重要的作用，是核電站可靠運(yùn)行的保障。目前，該產(chǎn)品尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與國(guó)外還有一定的差距。

國(guó)產(chǎn)常規(guī)島大口徑抽汽止回閥的研究是屬于2019年國(guó)家重大專項(xiàng)《大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站關(guān)鍵閥門制造技術(shù)與研究》之一，由于是大口徑的流線型結(jié)構(gòu)，閥體不能完全設(shè)計(jì)成球形或正圓柱型，屬于形狀較復(fù)雜的薄壁壓力容器，僅采用常規(guī)設(shè)計(jì)法很難保證產(chǎn)品的性能，一旦發(fā)生失效，嚴(yán)重影響核電站的安全運(yùn)行。因此，筆者首先介紹了大口徑抽汽止回閥的主要結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)參數(shù)，然后利用有限元軟件ANSYS對(duì)閥門進(jìn)行精準(zhǔn)的壓力強(qiáng)度計(jì)算和深刻的分析，最后通過(guò)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，確定閥門設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，提高閥門在核電站運(yùn)行的可靠性。

1 閥門主要設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)前分析的常規(guī)島大口徑抽汽止回閥是目前核電中口徑最大，也是最具代表性的規(guī)格。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列?？傮w上采用最先進(jìn)的低流阻流線型旋啟式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其閥體呈扁“凸”型結(jié)構(gòu)，主要目的是降低流體阻力，提高閥瓣開(kāi)啟力，如圖2所示。當(dāng)然采用了這種結(jié)構(gòu)后，會(huì)造成常規(guī)強(qiáng)度計(jì)算不全面、不精準(zhǔn)，所以必須采用有限元分析法確保產(chǎn)品有足夠的強(qiáng)度。

表1 閥門主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 核電常規(guī)島抽汽止回

2 條件和說(shuō)明

在分析計(jì)算中，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留了主要承壓零件，如圖3所示，分析的目的是為了獲得閥門在役運(yùn)行過(guò)程中閥體、閥蓋應(yīng)力變形情況，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，為閥門的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3 裝配體模型

分析前對(duì)該模型做以下幾點(diǎn)說(shuō)明：① 該模型所有尺寸均與施工圖紙一致；② 為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮中法蘭螺柱螺母連接結(jié)構(gòu)螺紋特征；③ 為縮減計(jì)算規(guī)模，考慮到閥門的對(duì)稱性，取閥門的1/2建模；④ 閥體、閥蓋材料均為ASTM A216 WCB，常溫下密度為7.85 g/cm3，彈性模量2×105MPa，泊松比為0.3；螺柱和螺母材料分別為ASTM A193 B7/ASTM 194 2H,彈性模量2.3×105MPa，泊松比為0.3。

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析,分析中有以下幾點(diǎn)假設(shè):①假設(shè)認(rèn)為模型中所有材料均為各向同性的線彈性體；②認(rèn)為螺柱同時(shí)預(yù)緊，不考慮安裝過(guò)程中的螺柱彈性交互作用；③不考慮中腔墊片壓縮及回彈的非線性特性。

3 分析過(guò)程

(1) 模型導(dǎo)入

首先將在Solidworks中建好的幾何模型保存為Parasolid格式，然后在ANSYS Workbench中建立靜力學(xué)分析模塊，導(dǎo)入保存好的幾何模型。

(2) 網(wǎng)格劃分

考慮到實(shí)體模型形狀不規(guī)則，故在默認(rèn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各部件最小網(wǎng)格尺寸分別進(jìn)行控制，以平衡計(jì)算精度與計(jì)算規(guī)模，如圖4所示。

圖4 裝配體網(wǎng)格圖5 載荷及約束

(3) 邊界條件

螺柱及螺母與閥蓋之間、閥體與閥蓋之間的接觸均定義為摩擦接觸閥體兩端施加固定約束；閥門剖分面施加無(wú)摩擦約束；內(nèi)腔施加2.2 MPa壓力；考慮重力作用，取-Y方向；中法蘭螺柱施加預(yù)緊力載荷，如圖5所示。

(4) 運(yùn)算結(jié)果

如圖6～11所示，分別展示了閥體、閥蓋和中法蘭螺柱在預(yù)緊載荷下以及預(yù)緊載荷與內(nèi)壓作用下的Mises應(yīng)力分布及變形情況：閥體中腔與支管交界處出現(xiàn)較大應(yīng)力集中(如圖9所示)；閥蓋的最大應(yīng)力位置處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位(如圖11所示)；中法蘭螺柱靠近閥體軸線側(cè)應(yīng)力大，遠(yuǎn)離閥體軸線側(cè)應(yīng)力較小，預(yù)緊載荷作用下時(shí)螺柱間應(yīng)力分布均勻，施加內(nèi)壓后由于法蘭出現(xiàn)微小偏轉(zhuǎn)，螺柱間應(yīng)力分布略有區(qū)別。

圖6 預(yù)緊載荷作用下閥門Mises應(yīng)力分布

圖8 施加內(nèi)壓后閥體Mises應(yīng)力分布

圖10 施加內(nèi)壓后閥蓋Mises應(yīng)力分布

如圖13～14所示應(yīng)力線性化，在閥體、閥蓋應(yīng)力較大處構(gòu)建應(yīng)力評(píng)定線。

圖12 施加內(nèi)壓后中法蘭螺

圖14 閥蓋應(yīng)力評(píng)定線

根據(jù)我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995要求進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度為：

式中：nb=2.6,ns=1.5,nst=1.5，求得Sm=166.7 MPa。

應(yīng)力線性化路徑的選取原則是：通過(guò)分析閥體、閥蓋應(yīng)力強(qiáng)度最大節(jié)點(diǎn)，其它高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)選定節(jié)點(diǎn)及關(guān)注部位的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短方向設(shè)定為應(yīng)力線性化路徑。各零件應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2和表3結(jié)果均合格。

表2 閥體應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

表3 閥蓋應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

利于ANSYS軟件對(duì)國(guó)產(chǎn)常規(guī)島大口徑抽汽止回閥的三維模型進(jìn)行有限元分析，可全面的知道閥門應(yīng)力集中的具體位置，并精確的計(jì)算任何位置應(yīng)力大小，并依據(jù)相關(guān)分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)判，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠支撐，使產(chǎn)品性能完全媲美國(guó)際水平。