常規島汽機旁路調節閥抗震性能研究

張浩然 蔣曉紅 馮 浩 尹會全 王宜雪 李樹勛

（1.中廣核工程有限公司；2.重慶川儀調節閥有限公司；3.蘭州理工大學石油化工學院）

常規島汽機旁路調節閥的正常運行關系到整個核電機組能否安全運行。 由于地震頻率一般在0.2～33 Hz范圍內，若汽機旁路調節閥的基頻在此區間內， 調節閥系統易在地震期間引起共振，導致調節閥與連接的管道在承受地震載荷時整體結構易受到破壞，進而影響調節閥的結構強度性能［1］。因此，為保證汽機旁路調節閥能夠安全可靠運行，必須對其進行抗震性能分析。 國內外學者在抗震性能分析方面已做了許多研究。 劉平等采用有限元分析方法對核級大口徑電動閘閥的抗震性能進行了研究［2］。 沈偉等應用ANSYS計算某核級主蒸汽安全閥在地震載荷及設計載荷組合作用下的應力和變形情況［3］。MENG F等對安全閥和彈簧進行頻率響應分析，預測地震荷載作用下的抗震能力［4］。 LI Z H等從固有頻率、振型、位移及應力等方面研究了有基礎隔震系統和無基礎隔震系統的連續剛構橋的抗震性能［5］。 SHEN Z R等研究了加強筋高度和鋼管軸壓比對法蘭連接抗震性能的影響［6］。 AN Y T等利用有限元軟件對大型混合氣體壓力控制閥進行了抗震分析［7］。很少有人對汽機旁路調節閥這一特殊閥門類型的抗震性能進行分析研究。

筆者使用ANSYS軟件中靜力學模塊，采用等效靜力法對DN 300 Class900汽機旁路閥在自重、內壓及地震載荷下的受力狀態進行了抗震分析計算，并對受力作用的部件進行應力評定和強度校核，保證調節閥結構強度滿足抗震要求。

1 汽機旁路閥工況參數及性能參數

DN 300 Class900汽機旁路調節閥設計及工況參數如下：

公稱通徑 DN 300

壓力等級 Class900

介質蒸汽工作溫度 284.4 ℃/303.3 ℃

連接形式 BW/RF

DN 300 Class900汽機旁路調節閥主要零部件材料物理性能參數和設計溫度下力學性能參數見表1、2。

表1 主要金屬部件材料物理性能參數

表2 主要金屬部件材料設計溫度下的力學性能參數

2 抗震相關理論

當調節閥的基頻大于33 Hz時， 基于等效靜力法在ANSYS軟件中使用靜力學模塊進行抗震分析。 假設設備是剛性并在質心位置受到一個恒定均勻的等效加速度作用［8］。 則設備受到的地震輸入能被簡化成一個等效靜力作用，等效靜力計算公式如下：

式中 F——作用在旁路閥質心上的地震力，N；

G——旁路閥的總重力， 包括相關附件的自重，N；

g——重力加速度，m/s2；

Sa——設備受到地震作用的峰值加速度，m/s2；

η——影響系數，常取1.5。

3 數值仿真計算

3.1 汽機旁路閥模型建立

筆者所研究的汽機旁路閥幾何模型如圖1所示。

圖1 汽機旁路閥幾何模型主視圖和剖視圖

3.2 網格劃分與網格無關性檢驗

對汽機旁路閥幾何模型進行網格劃分。 綜合考慮網格數量、網格質量對計算精度和計算成本的影響，通過不斷細化網格以保證相鄰網格密度之間具有較小的數值分析誤差。 對旁路閥結構進行網格無關性檢驗，結果列于表3。

表3 網格無關性驗證

根據表3所列結果， 最終確定以網格單元數645 921， 網格節點數1 402 665的模型作為汽機旁路閥有限元分析的網格模型，具體如圖2所示。

圖2 汽機旁路閥網格模型主視圖和剖視圖

3.3 載荷及邊界條件

根據汽機旁路調節閥的實際工況， 對其進、出口端面施加固定約束；對調節閥施加g=9.8 m/s2的重力加速度；對閥體與介質接觸表面施加設計壓力15 MPa；分析時，ASME QME-1《核電廠能動機械設備鑒定》 中QR-6300要求沿閥門水平方向和豎直方向分別加載6g（g=9.8 m/s2）的靜態當量地震載荷；根據閥門中法蘭密封設計中對法蘭螺栓力的計算，對每個中法蘭螺栓施加預緊力192 308 N。

4 結果分析

4.1 模態分析結果

通過ANSYS 軟件中Modal 模塊對DN 300 Class900汽機旁路閥進行模態分析， 由計算知，DN 300 Class900汽機旁路閥的前6階模態自振頻率見表4，模態振型如圖3所示。

圖3 前6階模態振型

表4 DN 300 Class900汽機旁路閥前6階自振頻率

由模態分析結果可知，DN 300 Class900汽機旁路閥的基頻為93.06 Hz， 大于地震截斷頻率值（33 Hz），在閥門、驅動裝置承受地震載荷時整體結構不會發生共振，滿足核電閥門的剛性結構要求，故可基于等效靜力法對汽機旁路閥進行抗震分析。

4.2 抗震分析結果

4.2.1 整體應力分析通過有限元計算分析， 得到汽機旁路閥在載荷作用下整體外部和內部的應力和變形分布云圖（圖4、5）。由圖4可知，DN 300 Class900汽機旁路閥最大應力值為251.42 MPa， 最大應力分布在中法蘭螺栓表面，在閥體內表面結構過渡處應力偏大，其他區域應力值相對較小。 在極大應力位置處進行應力評定， 對于應力較小且滿足強度要求的部位不評定。 由圖5可知，閥塞部件、閥座部件和迷宮部 件 應 力 分 布 較 均 勻。 由 圖4、5 可 知，DN 300 Class900汽機旁路閥整體的變形從支架底部到驅動裝置頂端逐漸增大，且過渡較均勻，閥門整體最 大變形0.58 mm，分布在驅動裝置防水帽頂端。

圖4 閥門整體外部應力和變形分布云圖

圖5 閥門整體內部應力和變形分布云圖

4.2.2 閥體應力分析

結合閥門整體應力分析結果和圖6可知，閥體最大應力分布在閥體內部結構不連續處，最大應力值為141.86 MPa，大于閥體材料WC9的許用應力值133 MPa，需對超應力部位進行應力強度評定， 以保證閥門在地震載荷下滿足強度要求。

閥體局部超應力部位出現在內部的結構不連續處，根據ASME BPVC-Ⅲ《核設施部件建造規則 第一冊 NB分卷》 中NB-200與N-3500中的相關判定標準進行應力強度評定。 圖7為閥體最大應力處的線性化評定圖，對由點1至點2路徑進行應力評定，等效線性化評定線如圖8所示，彎曲應力自中向兩側逐漸增大，且呈對稱變化，內外壁的應力值最大，為64.47 MPa；薄膜應力沿厚度方向均勻分布，為56.14 MPa；薄膜加彎曲應力在閥體內壁面處有最大值，為119.20 MPa。應力評定結果均滿足要求（表5）。 表中S為閥體材料WC9的許用應力，其值為133 MPa。

圖7 最大應力處等效應力線性化云圖

圖8 閥體最大應力處等效應力線性化評定數據圖

表5 閥體應力強度評定結果

4.2.3 閥蓋應力分析

結合閥門整體應力分析結果和圖9可知， 閥蓋螺栓孔區域應力相對較大，最大應力值121.88 MPa，小于閥蓋材料WC9的許用應力值133 MPa， 滿足強度要求。

圖9 閥蓋應力分布云圖

4.2.4 閥桿應力分析

結合閥門整體應力分析結果和圖10可知，閥桿上端與夾塊連接部位應力相對較小，最大應力值為33.02 MPa，分布于閥桿上端與填料壓蓋接觸部位， 小于閥桿材料660的許用應力值248 MPa，滿足強度要求。

圖10 閥桿應力分布云圖

4.2.5 中法蘭螺栓應力分析

旁路閥中法蘭螺栓拉應力和剪應力分析結果分別如圖11、12所示， 最大拉應力與最大剪應力均分布在與閥蓋接觸的表面位置，最大拉應力值為265.56 MPa，最大剪應力值為18.48 MPa。

圖11 中法蘭螺栓拉應力分布云圖

圖12 中法蘭螺栓剪應力分布云圖

按照ASME標準規定， 螺栓拉應力不超過0.7Su和Sy中的較小值，螺栓剪應力不超過0.42Su和0.6Sy中的較小值。 對于承受剪力和拉伸組合的載荷的螺栓，具體評定內容見表6。

表6 中法蘭螺栓應力強度評定結果

4.2.6 支架應力分析

結合閥門整體應力分析結果和圖13可知，支架下缸蓋部分應力相對較小，支架最大應力值為73.24 MPa， 分布在防轉桿限位平板頂部位置，小于支架材料WCB的許用應力值129 MPa， 滿足強度要求。

圖13 支架應力分布云圖

5 結論

5.1 對DN 300 Class900汽機旁路閥進行模態分析， 計算得到閥門第1階自振頻率為93.06 Hz，大于地震截止頻率33 Hz，可認為是剛性結構，在地震發生時閥門和驅動裝置整體結構不會發生共振，滿足抗震設計要求。

5.2 對DN 300 Class900汽機旁路閥進行抗震分析，計算得到閥門的整體最大應力為251.42 MPa，計算所得最大變形量為0.58 mm。 根據ASME標準對承壓邊界部件進行應力評定和強度校核，閥體、 閥蓋、 閥桿、 支架最大應力分別為141.86、121.88、33.02、73.24 MPa，中法蘭螺栓最大拉應力為265.56 MPa，最大剪應力為18.48 MPa，均滿足抗震強度要求。

5.3 根據以上分析計算， 得出DN 300 Class900汽機旁路閥為剛性結構且滿足抗震強度要求。