姜偉

摘要：核電站使用閥有抗震等級(jí)要求的一部分，將會(huì)有一個(gè)閥的過(guò)程中地震，地震荷載的閥壓力邊界會(huì)產(chǎn)生一定的影響，使用核電站閥門(mén)閥必須能夠承受地震荷載應(yīng)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(tài)方法計(jì)算地震荷載引起的壓力，計(jì)算等效應(yīng)力和工作壓力疊加后，總壓強(qiáng)的應(yīng)力值，然后根據(jù)評(píng)價(jià)原則止回閥壓力邊界應(yīng)力強(qiáng)度的組件。

關(guān)鍵詞：核電站;閥門(mén);抗震分析;計(jì)算

1閥門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)與材料

該閥門(mén)為核安全2級(jí)，抗震1A類(lèi)旋塞閥，閥門(mén)的公稱(chēng)通徑為DN80，接管尺寸為88.9×5.5mm，閥門(mén)的公稱(chēng)壓力為Class150，閥門(mén)的設(shè)計(jì)壓力為1.33MPa，水壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為2.66MPa，設(shè)計(jì)溫度為150℃。

該旋塞閥主要由閥體、閥瓣、閥蓋、下閥蓋、執(zhí)行器支架、電動(dòng)執(zhí)行器、螺栓螺母組成。閥門(mén)質(zhì)量為100kg，其中電動(dòng)執(zhí)行器的質(zhì)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(jì)算所取材料參數(shù)如表1所示。

2閥門(mén)固有頻率

當(dāng)使用有限元分析軟件計(jì)算固有頻率的閥門(mén)，應(yīng)該首先簡(jiǎn)化三維模型和一些復(fù)雜的倒角或溝地區(qū)應(yīng)該取消，因?yàn)檫^(guò)度復(fù)雜的模型會(huì)影響模型的網(wǎng)格劃分，最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。完成三維模型的簡(jiǎn)化后，劃分網(wǎng)格，選擇合適的固有頻率分析求解器完成閥固有頻率的計(jì)算。只有當(dāng)閥的固有頻率大于33Hz時(shí)，才能采用等效靜力法對(duì)閥進(jìn)行地震分析。

3載荷

閥門(mén)的載荷包括自重、內(nèi)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(chēng)為管道載荷。如果閥門(mén)的管道載荷大小在設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)中并沒(méi)有提供，我們可以依據(jù)RCC-MC3552確定閥門(mén)的管道載荷，即：

式中：Cb為彎曲載荷的應(yīng)力指數(shù);ri為閥門(mén)支管內(nèi)徑，mm;Tr為閥門(mén)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(nèi)徑，mm。

3.2地震載荷

閥門(mén)整機(jī)包括外伸機(jī)構(gòu)的最低自振頻率大于33Hz的閥門(mén)，其抗震計(jì)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(jī)構(gòu)的重心上，且考慮空間正交三個(gè)方向的等效地震載荷同時(shí)作用。地震會(huì)給閥門(mén)帶來(lái)水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3個(gè)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(chǎn)生的載荷及其他載荷（例如內(nèi)壓、自重、管道載荷等）產(chǎn)生的應(yīng)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(yùn)行基準(zhǔn)地震載荷，以及SSE安全停堆地震載荷。

閥門(mén)的各個(gè)工況下載荷一般不會(huì)逐一計(jì)算校核，一般會(huì)取包絡(luò)的嚴(yán)酷工況來(lái)完成計(jì)算，如表3所示。

4應(yīng)力計(jì)算與評(píng)定

主要針對(duì)影響閥門(mén)承壓邊界的閥體、閥蓋及閥蓋螺栓進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算。

4.1閥體

按照RCC-MC3550章節(jié)對(duì)閥體的一次薄膜和一次薄膜加彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

閥體一次薄膜應(yīng)力計(jì)算公式為：

閥體一次薄膜+彎曲應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：σm為閥體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，MPa;σb為閥體彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，MPa;Af為閥體拐角區(qū)面積，mm2;Am為有效金屬面積，mm2;ri為閥體拐角區(qū)的內(nèi)半徑，mm;r為閥體拐角區(qū)平均半徑，mm;Ps為介質(zhì)壓力，MPa。

計(jì)算出的閥體一次薄膜+彎曲應(yīng)力值與該閥體材料設(shè)計(jì)溫度下對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力比較，滿(mǎn)足計(jì)算值小于許用值。各工況下的應(yīng)力許用強(qiáng)度值如表4所示。表4中：S為基本許用應(yīng)力值，MPa;Sy為屈服強(qiáng)度，MPa。

4.2閥蓋

閥蓋在閥門(mén)中屬于承壓零件，可以采用RCCM-C3324章節(jié)來(lái)計(jì)算，閥蓋的計(jì)算需要同時(shí)考慮閥蓋螺栓的力矩，因此一般在計(jì)算閥蓋的同時(shí)，需要先計(jì)算閥蓋螺栓在各個(gè)工況下的力矩情況。然后依據(jù)RCCM-C3324章節(jié)來(lái)計(jì)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(jì)算時(shí)所使用的許用應(yīng)力值與表3中一致。計(jì)算評(píng)定的準(zhǔn)則是，閥蓋的實(shí)際厚度大于所需厚度即可。

結(jié)束語(yǔ)

本文以核電站使用的旋塞閥為例，分析了各種工況下的強(qiáng)度計(jì)算，給出了包括地震荷載在內(nèi)的各種工況下閥門(mén)壓力邊界強(qiáng)度的計(jì)算方法。提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，計(jì)算方法和程序可行有效。

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