核島廠房閥門支架優化設計

許克鳳 張手琴 王斌斌

目前管道支架設計時，設計人員重點關注的是支架應力強度和剛度條件是否滿足設計規范要求，對支吊架結構的合理性以及操作施工便利性關注度不夠。某核電站現場施工發現，由于設計人員不同，思路各異，很多管道支架設計形式不統一、不合理，不僅不美觀而且對工程運行安全和建造工期都產生了不利影響。

閥門支架的功能主要是承受閥門自重、限制閥門某個方向上位移和防止閥門震動，為滿足閥門的抗震需要，通過增加閥門支架來保證閥門整體結構的一階固有頻率大于33HZ，以滿足工藝管道力學計算要求。常見閥門支架功能有：導向支架、固定支架、限位支架等。由于不同閥門供貨商所生產的閥門外形不統一，提供的支撐點位置不一樣，導致閥門支架在實現其功能時無法使用標準部件，須針對每個閥門的外形特點和支撐條件進行單獨設計。

本文主要從閥門支吊架案例出發，從結構設計形式、功能實現等方面闡述閥門支吊架的設計質量問題。

一、閥門支架設計原則

對于核電站用氣動或電動頭的閥門,因其重量較重,需對氣動頭或電動頭進行支撐,現有核電站均采用鋼板支撐的方式來實現閥門支架預功能。其中導向功能主要是通過鋼板的柔性變形來實現，如果設置的鋼板板厚過厚或者管道傳遞載荷過小無法實現閥門向預定矢量方向線位移或者角位移，也就無法滿足閥門支架功能要求。對于固定功能的閥門支架主要是通過支撐鋼板的剛度來實現。

因此，為了盡可能實現閥門支架設計功能，確定了閥門支撐板的厚度選取原則，如下：對于固定功能閥門支架,支承板厚度為e≥10mm；對于軸向導向閥門支架，支承板厚度為e≤4mm；當支承板厚度為4mm

氣動/電動閥門本體支架由型鋼、鋼板焊接而成，對閥門檢修部件拆解存在干涉，需每次進行切割支架工作。一方面嚴重影響了檢修工期；另一方面若閥門處在高劑量區域，額外增加了人員照射的危險。

為了滿足閥門支架維修安裝的便利性，減少維修工作量，降低輻射風險，對閥門支撐板的固定方式規定如下：支撐位置盡量使用閥門廠家所規定位置；如確實需借用閥門本體螺栓進行緊固，需向廠家提供擬支撐板的厚度，以確保閥門所配螺栓露出長度滿足安裝規范要求；閥門支撐板與閥體之間的連接，須采用螺栓連接,以確保閥門維修安裝的便利性；閥門支架設計時，要避免支架與閥門周圍本體上物項的干涉，導致閥門無法開啟的狀況發生。

二、閥門支架設計典型問題分析

(一)按閥門支架設計圖紙,經常采用氣動或電動閥門自帶螺栓固定支撐鋼板與閥門本體，支撐鋼板與支架支撐梁之間的節點連接為焊接。閥門安裝完成后,后續拆裝檢修時需將氣動頭與閥體分離，此設計需切割支撐梁,才能移動閥門,給現場維修工作造成不便,如圖1所示。

圖1 閥門支架設計圖

(二)閥門支撐板選型時,未按照閥門功能選用板厚,會導致支撐板柔性不足不能滿足閥門支架預定功能；

(三)閥門支架用自帶螺栓固定支撐板后,導致螺栓露出螺紋不滿足規范要求；

設計者在設計支承板式閥門支架時，常機械地采用第一節所述設計原則，而不理解相關計算原則，從而導致設計問題的出現。

三、閥門支架設計改進措施

為解決上述閥門支架的典型設計質量問題,首先，設計者在確定設計方案時，要明確閥門支架與普通管道支架的設計原則是一致的，都需要遵循RCC-M[1]的相關規定。支承板應遵循H篇板殼式支撐件的相關規定，即薄膜應力和彎曲應力均應滿足規范要求。其次，設計者在考慮將支撐板焊接改為螺栓連接(如圖2所示)，以滿足現場拆裝、檢修便利性的同時，設計過程中需對閥門支撐鋼板及螺栓進行強度校核，并對螺栓安裝長度進行核實。綜上，為驗證支撐板的厚度是否能實現預定功能，及螺栓強度能否滿足設計要求，支承板式閥門支架設計應滿足以下三個原則：一是支架應滿足RCC-M中對于結構應力的規定；二是約束方向上支承板應有足夠的剛度，使得約束方向的支架剛度遠大于管道剛度；三是非約束方向上支承板不應妨礙管道運動，可將板的剛度代入管道力學計算中驗算。

圖2 閥門支架栓接設計圖

支撐板強度和剛度的核算主要采用ANSYS程序，一是搭建閥門支撐板的計算模型，如圖3所示；二是編寫MAC文件，如圖4所示；三是在ANSYS程序里運行MAC文件，得到應力云分布圖及應力計算結果，如圖5所示；四是根據計算結果評定螺栓強度，如圖6所示。如果以上力學核算過程均滿足設計規范要求，則此閥門支架設計合理可行，否則，需重新進行支撐板板厚和螺栓選型計算。

圖3 鋼板放置方式及建模示意圖

圖4 MAC文件編寫示意圖

圖5 應力云分布圖及應力結果

圖6 螺栓應力校核

四、結語

管道支吊架的設計質量涉及力學、施工等多個方面，本文所涉閥門支吊架設計問題主要是對支吊架的力學知識和施工要求理解不充分而導致的。后續設計者要學習現場施工和力學計算知識，確保設計上能實現支架預設功能，并滿足支架強度剛度設計要求，同時盡量將閥門支架結構簡化，使得支撐結構占用空間小，避免與周圍物項的碰撞并降低造價；對于設置在輻射區內的閥門，閥門支撐板與閥門本體的連接為螺栓連接后，提高了拆裝便利性能降低檢修人員受輻照的概率，保證運維人員的安全。合理的閥門支架結構和功能設計，確保了管系運行的安全性。

閥門支架是較為特殊的管道支架，對于閥門支架的計算應首先核算應力條件，然后再考慮剛度是否滿足要求。支承板結構的閥門支架支承板的厚度應以力學核算為準，不能機械套用國外工程的規定。