核級大口徑電動閘閥抗震性能的研究

劉 平,湯曉剛,孫佳麗,高志崗,楊理烽,張 衛

(1.中核蘇閥科技實業股份有限公司,江蘇 蘇州 215151;2.中國核電工程有限公司,北京 100840)

福島核電站泄漏事故,不僅讓全世界對核電安全性有所質疑,也讓各國開始重新審視各自的核安全狀況。我國提升了核電的安全標準,在研發和生產核電設備時,要求必須進行抗震能力評估,確保核電設備在遇到如地震等重大事故時能保持結構完整。

1 抗震要求

核電閥門作為核電站中重要的安全設備,必須能承受核電站壽命內的使用載荷和地震載荷,三代核電 “華龍一號”規定有抗震要求的閥門應能夠滿足SL-1(運行基準地震動)在3個方向同時作用4.8g,SL-2(極限安全地震動)在3個方向同時作用6g的要求,且閥門的一階固有頻率應大于33 Hz。

2 大口徑電動閘閥抗震特性

大口徑電動閘閥具有行程大,啟閉力矩大的特點,導致選取的電動執行機構具有力矩大和質量重的特點。

對于有抗震要求的大口徑電動閘閥,保證其抗震性能的措施主要有以下幾個方面:

1)降低分塊及整機重心和高度;

2)增大各分塊截面的轉動慣量;

3)增大危險截面面積、抗彎模量和抗扭模量。

3 采用卡箍形式連接的應用實例

如 “華龍一號”主給水隔離閥 (見圖1)公稱通徑:DN450、公稱壓力:900 Lb,屬于大口徑電動高壓閘閥,中腔連接處采用卡箍形式連接[1-2]。

圖1 主給水隔離閥Fig.1 Main feedwater isolation valves

其行程為384 mm,啟閉力矩為4 280 N.m,整機高度達到2 483 mm,且電動執行機構的重量達到479 kg,這對閥門的抗震性能的保證提出了很高的要求。

4 卡箍與傳統中法蘭連接對比分析

4.1 理論分析

中腔連接采用卡箍形式連接 (見圖2)和中法蘭形式連接 (見圖3),分別從整機高度、重量、縱向重心和危險截面轉動慣量4個方面進行了對比分析,具體數據見表1～表4。

圖2 卡箍分型面Fig.2 Dangerous section of hoop structure

圖3 法蘭分型面Fig.3 Dangerous section of flange structure

表1 整機高度對比Table 1 Height comparison

表2 整機及主要零件重量對比Table 2 Weight comparison

表3 縱向重心尺寸對比Table 3 Longitudinal center of gravity comparison

表4 危險截面轉動慣量對比Table 4 Rotary inertia of dangerous section comparison

由表1～表4可以得知,主給水隔離閥中腔處采用卡箍連接相較于傳統中法蘭連接降低了整機高度,減輕了整機的重量,降低了分塊和整機的重心,增大了危險截面轉動慣量,且通過理論計算卡箍結構一階固有頻率為45 Hz,傳統中法蘭結構一階固有頻率為41 Hz。即從理論分析角度可以得出主給水隔離閥中腔采用卡箍結構的固有頻率大于傳統中法蘭結構的固有頻率,更有利于保證閥門的抗震性能[3]。

4.2 有限元分析

分析模型為主給水隔離閥中腔采用卡箍 (見圖4)和中法蘭 (見圖5)結構的兩個模型,將電動執行機構設置為一個質點,并設置閥門進出口端的約束條件為固定約束,再對兩個模型分別進行網格劃分,卡箍結構主給水隔離閥劃分后的網格單元數為72 104,節點數為118 984;中法蘭結構主給水隔離閥劃分后的網格單元數為49 899,節點數為86 876。

圖4 卡箍網格單元格劃分Fig.4 Mesh of hoop structure

圖5 法蘭網絡單元格劃分Fig.5 Mesh of flange structure

通過運算分別得到主給水隔離閥兩種不同中腔連接形式的固有頻率,具體結果為卡箍結構固有頻率分析結果 (見圖6)和中法蘭結構固有頻率分析結果 (見圖7),固有頻率具體對比數據見表5。

圖6 卡箍固有頻率分析Fig.6 Natural frequency analysis of hoop structure

圖7 法蘭固有頻率分析Fig.7 Natural frequency analysis of flange structure

表5 固有頻率對比Table 5 Natural frequency comparison

通過有限元分析得出卡箍結構一階固有頻率為49 Hz,傳統中法蘭結構一階固有頻率為48 Hz。從有限元分析角度可以得出主給水隔離閥中腔采用卡箍結構的固有頻率大于傳統中法蘭結構的固有頻率,更有利于保證閥門的抗震性能[4]。

5 試驗驗證

5.1 動態特性探測試驗

為了確定主給水隔離閥的固有頻率,對其進行了動態特性探測試驗 (見圖8)[4]。

5.2 地震靜載荷試驗

為了驗證主給水隔離閥在地震載荷下的完整性以及可操作性,對其進行了地震靜載荷試驗(見圖9)[4]。

圖8 動態特性探測試驗Fig.8 Dynamic characteristicdetection test

圖9 地震靜載荷試驗Fig.9 Static load test ofearthquake

試驗結果為:

1)閥門在3個正交軸向的第一階固有頻率均大于49.5 Hz;

2)在地震靜載荷試驗過程中,閥門填料和殼體無泄漏,開啟和關閉時間小于20 s,閥門運行情況良好。

6 結語

大口徑電動閘閥中腔采用卡箍結構,相較于采用傳統中法蘭結構有效地降低了整機高度,減輕了整機重量,降低了分塊和整機的重心,更有利于保證閥門的抗震性能。從而可以得出結論:中腔采用卡箍結構連接是一種保證大口徑電動閥門抗震性能的有效措施。