核級防沖擊波閥抗震安全性能評估

羅娟 羅家成 孫磊

摘 要：核級設備在設計安裝時必須對其抗震性能進行安全評定，核安全相關法規要求核電廠中所有抗震I類設備均應按安全停堆地震（SSE）進行設計，進行強度校核以保證結構的完整性；對某些有功能性要求的設備，還應進行變形分析以保證功能完整性。該文采用有限元方法，對某核級防沖擊波閥的抗震安全評定方法進行了研究，按照ASME規范AG-1卷的設計準則對結構在地震及與其他載荷組合下的應力和變形進行評定，結果表明，該防沖擊波閥的抗震安全性能滿足規范的要求。

關鍵詞：核級防沖擊波閥 有限元 抗震分析 應力評定 變形評定

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0114-02

核電廠中安全級設備都應滿足相關規范的強度要求，設備的地震響應尤為重要。某型核級防沖擊波閥安全等級為3級，抗震類別為I類，在設計時需要進行地震載荷下的抗震計算以及與其他載荷組合的應力分析與評定工作[1-2]，從而為防沖擊波閥的抗震設計提供依據。

1 結構描述

核電廠采用的某型防沖擊波閥規格為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格且跨度為100 mm的支架焊接在預埋扁鋼上，一端通過風管固定。

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

2 力學模型

2.1 有限元模型

采用ANSYS[3]建立結構有限元模型，其中閥門框架、葉片、支架均采用殼單元（SHELL181），軸、螺栓采用梁單元（BEAM188）。針對閥門關閉和開啟兩種狀態分別建立有限元模型，如圖2、圖3所示。

2.2 邊界條件

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

對于應力分析，閥門一端連接長3 m、厚1.5 mm的風管并固定約束風管末端面，支架與墻體連接位置處加固定約束，閥芯與風管連接處加平動位移約束。

3 載荷條件

根據ASME AG-1[2]中設備設計需要考慮的載荷，結合該閥應用過程中實際受載情況，輸入載荷包括：（1）自重（DW）：閥芯和支架總質量125.7 kg；（2）沖擊波壓力（Pc）：21 kPa；（3）檢修活載（L）：70 kg；（4）流體動量載荷（FML）：20 m/s；（5）風管載荷（EL）；（6）地震載荷，根據設計文件，該閥基階頻率大于33 Hz。依照規范，對基頻大于33 Hz的模型采用等效靜力法進行抗震分析。結構的運行基準地震（OBE）載荷3個方向均為3.2 g，安全停堆地震（SSE）載荷3個方向均為4.0 g。抗震分析的載荷組合見表2。

4 計算結果分析

4.1 模態分析結果

采用Block Lanczos方法進行模態分析，得到結構前三階固有頻率如表3所示。由表3可知，閥門開啟和關閉結構的一階固有頻率分別為60.48 Hz和86.80 Hz，驗證了使用等效靜力法的合理性。

4.2 應力評定方法和結果

根據ASME AG-1，板殼型部件的設計驗證分析方法通常采用基于最大應力理論的彈性分析，其控制應力是薄膜應力和彎曲應力，根據規范可確定各使用等級下材料的薄膜和彎曲應力限值，具體計算結果見表4。

抗震分析時在結構X、Y和Z三個方向分別輸入OBE和SSE地震載荷，將三個方向的計算結果采用SRSS方法進行振型組合，再加上各使用等級對應的載荷，即可得到各工況下結構的應力計算結果，如表4所示。表中σ1表示薄膜應力，σ1+σ2表示薄膜加彎曲應力。從表4可知，該閥的薄膜應力和薄膜加彎曲應力都小于相應的應力限值，滿足ASME規范的要求。

4.3 變形評定方法和結果

考慮結構失效的控制模式，對于抗震1類設備可進一步采用基于最大變形的彈性分析進行變形限制，以確保設備功能完整性。ASME AG-1中采用設備功能不被削弱時可能承受的最大變形進行變形限制。

對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壁之間的最小間隙作為變形限制基準，即dmax=5 mm。計算得到各使用等級下結構的變形分析及評定結果見表5。由表5可以看到，關閉模型因受到沖擊波載荷作用其最大變形遠大于開啟模型，但各工況下開啟和關閉模型的變形均滿足規范要求。

5 結語

文章對某核級防沖擊波閥的抗震安全評估方法進行了研究，利用ANSYS軟件，依照ASME規范對結構進行了抗震分析和安全評定，結果表明結構的抗震設計滿足上述規范的要求。

參考文獻

[1] GB 50267-97核電廠抗震設計規范[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：機械工業出版社，2014.