核級手動偏心球閥抗震分析

沈佳輝，林 鋒，何 琰，劉 龍

（1.中國船舶工業集團公司第七〇八研究所，上海 200011；2.浙江三方控制閥股份有限公司，浙江富陽 311400；3.上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

核級手動偏心球閥抗震分析

沈佳輝1，林 鋒2，何 琰2，劉 龍3

（1.中國船舶工業集團公司第七〇八研究所，上海 200011；2.浙江三方控制閥股份有限公司，浙江富陽 311400；3.上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

利用ANSYS軟件建立了手動偏心球閥的三維有限元模型，進行抗震分析，不僅進行了靜力分析，還選取常見的典型地震波進行譜分析和時程分析。通過計算比較，發現三種方法應力計算結果接近；在計算效率上，靜力分析優于譜分析和時程分析。

球閥；抗震；有限元

0 前言

球閥不僅結構簡單、密封性能好，而且在一定的公稱通經范圍內體積較小、重量輕、材料耗用少、安裝尺寸小，并且驅動力矩小，操作簡便，易實現快速啟閉[1-2]。隨著球閥的技術進步，特別是在石油天然氣管線上、煉油裂解裝置上以及核工業上將有更廣泛的應用。這就對球閥的設計和制造提出了更高的要求。特別對于手動球閥，要包括地震載荷的所有工況下，滿足應力要求。因此手動球閥必須進行抗震分析。

抗震分析主要研究閥門在設計工況下的應力和變形的情況。賈臻、王會等人[3]采用三維有限元分析軟件對核二級電動球閥進行了在設計工況下的應力分析和抗震校核分析。王偉[4]利用ANSYS有限元程序對安全二級氣動球閥進行力學分析。蔡坤、樂修輝等[5]介紹了核二級閥門考慮地震載荷的應力分析評定方法。周文霞、張繼革等[6]基于ANSYS有限元分析軟件，采用等效靜力法對調節閥的抗震性能進行分析。

對于結構比較復雜的設備，一般采用質點模型，但誤差較大。并且對于大多數的閥門只是進行了靜力計算，而根據標準規定，還可以進行譜分析和時程分析。因此，本文采用手動球閥的三維實體模型進行抗震有限元靜力分析和動力分析。

本文以某型號核級手動偏心球閥為例，首先介紹了閥門抗震分析一般方法，其次利用ANSYS軟件進行了閥門整體三維結構模型的自振頻率計算，然后進行靜力分析，最后選取常見的地震波進行譜分析和時程分析。

1 抗震分析方法

1.1 靜力分析

假設結構物各部分與地震動具有相同的振動規律。結構因地震力引起的慣性力等于地面運動加速度與結構總質量的乘積，以此慣性力作為靜力施加于結構，進行結構線彈性靜力分析[7]。

響應譜法將動力問題靜力化，對于求解非解耦振動問題，當受到地震激勵時將系統的主要模態與響應譜進行組合近似代表整個結構的實際響應[8]。

1.3 時程分析

時程分析法是將實際地震動記錄或人工生成的地震波作用于結構，直接對結構運動方程進行數值積分而求得結構地震反應的時間歷程。只要正確選擇地震動主要參數，且所選用的地震波基本符合這些主要參數，時程分析法就可以在一定程度上給出未來地震作用下結構反應[7]。

2 建立有限元模型

2.1 材料性能

手動偏心球閥主/副閥體、閥蓋材料均為Z3CN20-09M，設計溫度為-20℃～200℃。螺母、螺柱材料為M5120/M5110-Z6CN18-10。材料常數[9]設置為：彈性模量 E=190GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7 800kg/m3。

2.2 建立模型

利用有限元法求解，首先要建立合理的模型，本文分析對象為手動偏心球閥，采取在AN?SYS[10]中直接整體建模的方式。由于閥門零件較多，為了提高計算效率，在建立有限元模型時作了必要的簡化。例如，閥門結構外形中的一些倒角等細節處，對于整個結構動力性能影響極小，建模時可以忽略。而在閥體、閥芯接觸處，在地震載荷作用下是典型的結構薄弱部位，故此處的尺寸嚴格按照實際尺寸建模。

考慮到閥體物理形狀、材料、載荷等都具有對稱性，沿對稱面截取一半有限元模型進行計算。這樣做既可縮短分析求解時間，提高運算速度，又可將單元可劃分更細，計算結果更精確[11]。

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2.3 網格劃分

單元類型選取 Structure Solid Brick 20node 95，計算模態時采用Block Lanczos法，應力分析時采用Pre-Condition CG求解器。

在網格劃分時，根據閥門受力特點，應用自適應網格技術進行劃分。如在閥體內部，是典型的結構薄弱部位，在地震載荷作用下應力較大，故此處的網格最密集。而在閥體邊緣處等，應力較小，不是結構危險部位，故此處的網格較疏。這樣處理，兼顧了計算效率與計算精度的要求。一共劃分了29 777個單元。手動偏心球模型如圖1所示。

圖1 手動偏心球閥三維有限元模型

2.4 載荷及邊界條件

閥體兩端采用對接焊連接方式，將閥門邊界條件看作是固定約束形式，在對稱面上施加位移對稱邊界約束。

為簡化計算及保守考慮，要考慮的載荷主要包括1.2倍的工作壓力、自重和2倍管道反作用力。其中，工作壓力取應力設計值，即5 MPa。

靜力分析時取SSE工況，根據計算要求取三個方向的重力加速度，大小為5 g；譜分析取與頻率相對應的反應譜值；時程分析時取實際的地震波。

本文所采用的地震波是EI地震波，該波是1940年 5月 18日美國 IMPERIAL山谷地震（M7.1）在EI Centro臺站記錄的加速度時程[12]，EI波比其他有相似周期的地震波有更大的能量，更有代表性，因此選用EI地震波。

3 抗震有限元分析

3.1 固有頻率分析

本文在計算模態頻率時采用Block Lanczos法提取8階模態，取8階是為進行譜分析做準備。各階頻率如表1所示。其中第1階頻率為737.35 Hz，一階振型如圖2所示。

表1 閥門的前8階頻率

圖2 手動偏心球閥一階振型圖

3.2 靜力分析

先對閥體施加三個方向的重力加速度，大小為5 g，然后對球閥進行靜態求解，最后得到靜態應力云圖，如圖3所示。其中，應力最大值為44.85 MPa，其運算時間大約17 s。

圖3 手動偏心球閥靜態應力分布圖

3.3 響應譜分析

在進行響應譜分析時，首先依據規范GB50011-2001第5.1.5條[13]，按7級多遇地震由前8階的固有頻率計算得到反應譜值（加速度值），如表2所示。首先設定阻尼系數為0.02，接著輸入8個頻率和反應譜值，然后對球閥進行響應譜分析，得到閥體應力云圖，如圖4所示。其中，閥體的最大應力為42.05 MPa，其運算時間大約75 s。

表2 閥門反應譜值

3.4 時程分析

在進行時程分析前，選取一段EI地震波，如圖5所示。接著設定阻尼系數為0.02[14]，在閥體三個方向都加上地震波，最后得到的時程分析應力圖，如圖6所示。其中，時程分析下的閥體的最大應力是41.99 MPa，其運算時間大約30 min。

圖4 手動偏心球閥響應譜應力云圖

圖5 EI地震波譜

圖6 手動偏心球閥時程分析應力云圖

4 結論

首先介紹了安全閥抗震分析一般方法，接著利用ANSYS軟件進行了閥門整體三維結構模型的自振頻率計算，最后利用ANSYS軟件對閥門結構進行靜力分析，響應譜分析和時程分析。

通過模態分析計算得到的閥門的一階固有頻率為737.35 Hz，遠大于33 Hz，故可采用靜力分析。

通過靜力分析、響應譜分析和時程分析計算得到的閥門的最大應力分別為44.85 MPa，42.05 MPa和41.99 MPa。從中看出，三種方法分析得到的應力相差不多，靜力法中的5 g加速度相當于7級地震。靜力分析、響應譜分析和時程分析的運算時間分別為17 s、75 s和30 min。從計算效率來看，靜力法優于其他兩種方法。

通過計算比較，三種方法應力計算結果相近，而靜力法偏保守安全；要得到較為精確的計算結果，則可結合譜分析進行抗震分析。

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Seismic Analysis of Manual Eccentric Ball Valve

SHEN Jia-hui1，LIN Feng2，HE Yan2，LIU Long3
（1.Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China；2.ZheJiang Sanfang Control Valve Co.，Ltd.，Fuyang311400，China；3.Logistics Engineering College，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

In this study，the three-dimensional finite element model of manual eccentric ball valve is built using ANSYS software.Then the seismic analysis is carried out.Not only the static analysis is carried out，but also the spectrum analysis and time-history analysis are carried out through selecting common typical earthquake wave.Through comparison，we find the three results are close，but the static method is conservative.According to the actual requirements，the calculation results are close among three methods.In the computation efficiency，the static analysis is better than the spectrum analysis and time-history analysis.

ball valve；anti-seismic；FEM

TP391.77

：A

：1009－9492(2014)11－0033－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.009

沈佳輝，男，1990年生，上海人，碩士研究生。研究領域：結構動力學。已發表論文1篇。

(編輯：阮 毅)

2014－05－18