核電站閥門抗震分析與計算

姜偉

摘要：核電站使用閥有抗震等級要求的一部分，將會有一個閥的過程中地震，地震荷載的閥壓力邊界會產生一定的影響，使用核電站閥門閥必須能夠承受地震荷載應力，地震荷載分析通用閥閥固有頻率分析的有限元分析軟件，然后利用等效靜態方法計算地震荷載引起的壓力，計算等效應力和工作壓力疊加后，總壓強的應力值，然后根據評價原則止回閥壓力邊界應力強度的組件。

關鍵詞：核電站;閥門;抗震分析;計算

1閥門設計參數與材料

該閥門為核安全2級，抗震1A類旋塞閥，閥門的公稱通徑為DN80，接管尺寸為88.9×5.5mm，閥門的公稱壓力為Class150，閥門的設計壓力為1.33MPa，水壓強度試驗壓力為2.66MPa，設計溫度為150℃。

該旋塞閥主要由閥體、閥瓣、閥蓋、下閥蓋、執行器支架、電動執行器、螺栓螺母組成。閥門質量為100kg，其中電動執行器的質量為51kg。閥體、旋塞、閥蓋、下閥蓋材料均為Z2CND17-12，閥蓋螺栓及下閥蓋螺栓材料為X6CrNiCu17-04，螺母材料為X12Cr13。計算所取材料參數如表1所示。

2閥門固有頻率

當使用有限元分析軟件計算固有頻率的閥門，應該首先簡化三維模型和一些復雜的倒角或溝地區應該取消，因為過度復雜的模型會影響模型的網格劃分，最終導致計算結果不準確。完成三維模型的簡化后，劃分網格，選擇合適的固有頻率分析求解器完成閥固有頻率的計算。只有當閥的固有頻率大于33Hz時，才能采用等效靜力法對閥進行地震分析。

3載荷

閥門的載荷包括自重、內壓、管道載荷、地震載荷等。

3.1管道載荷

管道傳遞給閥體的載荷被稱為管道載荷。如果閥門的管道載荷大小在設計規格書中并沒有提供，我們可以依據RCC-MC3552確定閥門的管道載荷，即：

式中：Cb為彎曲載荷的應力指數;ri為閥門支管內徑，mm;Tr為閥門支管壁厚，mm;Gb為閥體支管處慣性模量;Fb為連接管道的慣性模量;De為管道外徑，mm;Di為管道內徑，mm。

3.2地震載荷

閥門整機包括外伸機構的最低自振頻率大于33Hz的閥門，其抗震計算可采用等效靜力法，即將等效的地震加速度引起的靜載荷施加于外伸機構的重心上，且考慮空間正交三個方向的等效地震載荷同時作用。地震會給閥門帶來水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3個方向上的加速度，重力加速度是g=9.81m/s2，地震載荷的作用如圖2所示。

3.3自重

自重載荷的施加方式為在垂直Y方向施加1g的重力加速度。

3.4工況及載荷組合

由地震產生的載荷及其他載荷（例如內壓、自重、管道載荷等）產生的應力分量或附加載荷組合如表2所示。其中地震載荷包括OBE運行基準地震載荷，以及SSE安全停堆地震載荷。

閥門的各個工況下載荷一般不會逐一計算校核，一般會取包絡的嚴酷工況來完成計算，如表3所示。

4應力計算與評定

主要針對影響閥門承壓邊界的閥體、閥蓋及閥蓋螺栓進行應力校核計算。

4.1閥體

按照RCC-MC3550章節對閥體的一次薄膜和一次薄膜加彎曲應力進行計算分析。

閥體一次薄膜應力計算公式為：

閥體一次薄膜+彎曲應力計算公式為：

式中：σm為閥體一次薄膜應力強度，MPa;σb為閥體彎曲應力強度，MPa;Af為閥體拐角區面積，mm2;Am為有效金屬面積，mm2;ri為閥體拐角區的內半徑，mm;r為閥體拐角區平均半徑，mm;Ps為介質壓力，MPa。

計算出的閥體一次薄膜+彎曲應力值與該閥體材料設計溫度下對應的許用應力比較，滿足計算值小于許用值。各工況下的應力許用強度值如表4所示。表4中：S為基本許用應力值，MPa;Sy為屈服強度，MPa。

4.2閥蓋

閥蓋在閥門中屬于承壓零件，可以采用RCCM-C3324章節來計算，閥蓋的計算需要同時考慮閥蓋螺栓的力矩，因此一般在計算閥蓋的同時，需要先計算閥蓋螺栓在各個工況下的力矩情況。然后依據RCCM-C3324章節來計算出在各工況下需要的最小閥蓋厚度。閥蓋的材料與閥體材料相同，因此計算時所使用的許用應力值與表3中一致。計算評定的準則是，閥蓋的實際厚度大于所需厚度即可。

結束語

本文以核電站使用的旋塞閥為例，分析了各種工況下的強度計算，給出了包括地震荷載在內的各種工況下閥門壓力邊界強度的計算方法。提供了理論依據和技術支持，計算方法和程序可行有效。

參考文獻

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