核電站用防沖擊波閥閥體抗震分析

羅娟， 羅家成， 孫磊

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院， 成都610213)

核電站用防沖擊波閥閥體抗震分析

羅娟， 羅家成， 孫磊

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院， 成都610213)

采用有限元方法對(duì)田灣核電站3、4號(hào)機(jī)組采用的某型防沖擊波閥閥體進(jìn)行了抗震計(jì)算分析。計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和地震載荷下的響應(yīng)，并根據(jù)ASME AG-1對(duì)結(jié)構(gòu)在重力、內(nèi)壓、沖擊波載荷、地震等多種載荷組合下的應(yīng)力和變形進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)ASME III-NF對(duì)連接緊固件進(jìn)行應(yīng)力校核。結(jié)果表明，防沖擊波閥閥體的設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

防沖擊波閥閥體；有限元；抗震分析；應(yīng)力評(píng)定

引言

自日本福島核電站由于地震造成核泄漏事故以來(lái)，核電廠設(shè)備的抗震安全性能愈加得到業(yè)界的廣泛重視。核電廠中眾多的抗震I類、抗震II類以及一些非核抗震類設(shè)備在設(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[1-3]，從而為核電廠的抗震安全性提供保證。

核電廠所用防沖擊波閥作為核電站安全運(yùn)行關(guān)鍵附件，不僅可在正常情況下起流通與阻斷氣流作用，并可在沖擊波等突發(fā)事故工況下保護(hù)廠房?jī)?nèi)設(shè)備安全。目前有限元法已成為各類核相關(guān)設(shè)備抗震分析評(píng)定的主要手段[4-6]，但國(guó)內(nèi)對(duì)核電站用防沖擊波閥的抗震安全性分析尚鮮見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)。

田灣核電站用某型防沖擊波閥閥體的安全等級(jí)為3級(jí)，抗震類別為I類，需按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行抗震分析和應(yīng)力評(píng)定。本文采用有限元軟件ANSYS[7]建立了閥體的力學(xué)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震計(jì)算分析，并按照ASME規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，為閥體的抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1結(jié)構(gòu)描述

防沖擊波閥閥體規(guī)格為425 mm×420 mm，主要由上下閥框、左右側(cè)框、上下安裝板、左右安裝板和加強(qiáng)板組成。上下安裝板、左右安裝板和加強(qiáng)板均由鋼板裁切而成，分別焊接在上下閥框和左右側(cè)框上。防沖擊波閥閥體通過(guò)錨栓與墻體連接，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1總體結(jié)構(gòu)圖

該防沖擊波閥閥體材料為Q235B，約束接管法蘭上螺栓和接墻螺栓材料均為8.8級(jí)。閥體工作溫度下各材料相關(guān)力學(xué)特性見(jiàn)表1[8]。

表1材料的力學(xué)特性

2力學(xué)模型

主要采用板殼單元和梁?jiǎn)卧⒂邢拊Ｐ停渲校y體采用殼單元(SHELL181)模擬，連接螺栓采用梁?jiǎn)卧?BEAM188)模擬。閥體總質(zhì)量40.55 kg，將閥芯組件的全部質(zhì)量均分在安裝板上，閥體有限元模型如圖2所示，閥體安裝(帶風(fēng)管)結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示。

圖2閥體有限元模型

圖3閥體安裝(帶風(fēng)管結(jié)構(gòu))的有限元模型

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，在閥體與風(fēng)管連接的法蘭連接螺栓處施加平動(dòng)位移約束，在閥體與墻體連接位置處施加固定約束。進(jìn)行抗震分析時(shí)，閥體一端連接長(zhǎng)1.5 m的風(fēng)管并固定約束風(fēng)管末端面，一端連接墻體位置處加固定約束。約束情況分別如圖2和圖3所示。

3載荷條件

輸入載荷包括自重、內(nèi)壓、檢修人員活載荷、風(fēng)管載荷、流體動(dòng)量載荷、地震載荷等。對(duì)應(yīng)參數(shù)取值分別為：自重40.55 kg；設(shè)計(jì)壓力10 kPa，沖擊波壓力21 kPa；檢修活載70 kg；流體動(dòng)量載荷20 m/s；對(duì)于地震載荷，根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的文件，該閥體的基階頻率大于33 Hz。依照相關(guān)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。所提供的運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)載荷三個(gè)方向均為3.2 g，安全停堆地震(SSE)載荷三個(gè)方向均為4.0 g。

根據(jù)ASME AG-1“核電廠空氣和氣體處理”，結(jié)合閥體應(yīng)用過(guò)程中承受的載荷，抗震分析的載荷組合見(jiàn)表2。考慮到閥體工作的實(shí)際狀態(tài)，在沖擊波載荷對(duì)應(yīng)的使用等級(jí)下(即表中C2載荷組合)，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，在其他使用等級(jí)下，閥門處于開(kāi)啟狀態(tài)。

表2載荷組合

DW：重量； Ps：設(shè)計(jì)壓力；FML：流體動(dòng)量載荷；L: 閥門人員檢修時(shí)負(fù)荷；EL：外部風(fēng)管載荷；OBE：運(yùn)行基準(zhǔn)地震；SSE：安全停堆地震；Pc：沖擊波載荷。

4計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

4.1模態(tài)分析結(jié)果

采用Block Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到閥體結(jié)構(gòu)的一階固有頻率為266.5 Hz，驗(yàn)證了使用等效靜力法的合理性。表3給出了防沖擊波閥閥體X、Y、Z三方向模態(tài)參與質(zhì)量較大的頻率值，相應(yīng)的振型如圖4～圖6所示。可見(jiàn)閥體第一階模態(tài)是Z向參與質(zhì)量最大的模態(tài)。

表3固有頻率

圖4X向參與質(zhì)量最大振型

圖5Y向參與質(zhì)量最大振型

圖6Z向參與質(zhì)量最大振型

4.2地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)三個(gè)方向分別輸入OBE和SSE地震載荷，將X、Y和Z三個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果采用平方和的平方根(SRSS)方法進(jìn)行振型組合，得到閥體在地震載荷作用下的薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4地震載荷下的應(yīng)力響應(yīng)(MPa)

4.3應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

根據(jù)ASMEAG-1規(guī)范[2]，將閥體在自重、內(nèi)壓、檢修人員活載荷、風(fēng)管載荷、流體動(dòng)量載荷、地震載荷等條

件下的計(jì)算結(jié)果按照表2所示方法進(jìn)行載荷組合，得到各使用等級(jí)下閥體的應(yīng)力計(jì)算與評(píng)定結(jié)果，見(jiàn)表5。從表5可知，該閥體的薄膜應(yīng)力和薄膜加彎曲應(yīng)力都小于相應(yīng)的應(yīng)力限值，滿足規(guī)范的要求。

表5模型最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及評(píng)定(MPa)

4.4變形計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

對(duì)防沖擊波閥閥體在各使用等級(jí)下的變形進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)最大變形見(jiàn)表6。從表6可知，在各級(jí)工況下計(jì)算的最大變形值都小于變形限值，故該閥體的變形滿足ASME規(guī)范的要求。表中dmax=5mm，為閥芯螺栓到框架的最小距離。

表6模型最大變形計(jì)算結(jié)果及評(píng)定

4.5連接螺栓評(píng)定

防沖擊波閥閥體與接管法蘭通過(guò)8個(gè)M10的螺栓連接，與墻體通過(guò)12個(gè)M16的螺栓連接，根據(jù)ASME第III卷NF分卷[9]對(duì)螺栓在各使用等級(jí)下所受到的載荷條件進(jìn)行評(píng)定。經(jīng)過(guò)計(jì)算，各使用等級(jí)下螺栓的最大拉伸應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力和橢圓方程最大值分別見(jiàn)表7～表8。表中，ft為計(jì)算的拉伸應(yīng)力，fv為計(jì)算的剪切應(yīng)力，F(xiàn)tb為螺栓的許用拉伸應(yīng)力，F(xiàn)vb為螺栓的許用剪切應(yīng)力，Su為抗拉強(qiáng)度。由表7和表8可知，連接螺栓的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

表7連接螺栓M10的應(yīng)力評(píng)定(MPa)

表8連接螺栓M16的應(yīng)力評(píng)定(MPa)

5結(jié)束語(yǔ)

在考慮重力、壓力、檢修活載及地震載荷等條件下利用ANSYS軟件對(duì)核電站用某型防沖擊波閥閥體進(jìn)行了力學(xué)分析，并根據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定和強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，防沖擊波閥閥體的應(yīng)力、變形以及各連接螺栓均滿足抗震設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求，研究結(jié)果具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] RCC-M,Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].2007.

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

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

[4] 侯碩,賈曉峰.壓水堆核電站燃料廠房核燃料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的抗震分析[J].核科學(xué)與工程,2013,33(3):314-320.[5] 徐志新,葛黎明.核級(jí)風(fēng)閥抗震分析[J].閥門,2015(3):23-25.

[6] 毛飛,閔鵬,周肖佳,等.核主泵電機(jī)抗震分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2012,32(5):55-59.

[7] 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.

[8] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[9] ASME boiler and pressure vessel code,section III,rules for construction of nuclear facility components,division 1,subsection NF,supports[S].2010.

Seismic Analysis for an Explosion-proof Valve Used in Nuclear Power Plant

LUOJuan,LUOJiacheng,SUNLei

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China)

Based on finite element method, the seismic analysis for an explosion-proof valve used in Unit 3, 4 of Tianwan nuclear power plant has been conducted. The natural frequency, vibration mode and seismic response of the structure have been obtained through calculation, and the stress and strain evaluation under the combined loading of gravity, internal pressure, blast and seismic load has been done according to ASME AG-1. The bolts of the structure have been qualified according to ASME III-NF as well. The results show that the design of the explosion-proof valve is in compliance with the requirement of corresponding codes.

explosion-proof valve; finite element method; seismic analysis; stress evaluation

2016-03-31

羅 娟(1988-),女,四川成都人,助理研究員,碩士,主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的研究,(E-mail) juanmeier091188@163.com

1673-1549(2017)02-0059-04

10.11863/j.suse.2017.02.12

TM623

A