王 剛，崔 禹，王楚輝

(浙江三方控制閥股份有限公司，浙江 杭州 311400)

0 引言

氣體過(guò)濾減壓閥是工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[1]。作為氣源三聯(lián)件之一，它被視為氣動(dòng)控制系統(tǒng)的必備元件，被廣泛地應(yīng)用于火電、核電、石油、化工、食品等各種行業(yè)，其可靠性不僅關(guān)系到自身的正常工作，還對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[2]。在調(diào)節(jié)流體管路工況時(shí)，氣體過(guò)濾減壓閥被當(dāng)做調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)附件使用，因此，對(duì)氣體過(guò)濾減壓閥的高強(qiáng)度、高剛度與高穩(wěn)定性要求變得非常強(qiáng)烈[3]。

本文討論一種用于核電站的核級(jí)氣體過(guò)濾減壓閥，通過(guò)結(jié)構(gòu)原理研究與Femap有限元分析兩者相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震仿真分析來(lái)驗(yàn)證該核級(jí)設(shè)備的可靠性。首先根據(jù)需求功能對(duì)其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作原理分析，建立氣體過(guò)濾減壓閥的三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行邊界條件確定和有限元網(wǎng)格劃分得到有限元模型；然后對(duì)其有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到它的固有頻率和振型，判斷固有頻率的合理性從而確定合適的應(yīng)力分析方法進(jìn)行地震工況下的力學(xué)分析。

本文依據(jù)美國(guó)ASME核電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核級(jí)氣體過(guò)濾減壓閥各部件進(jìn)行應(yīng)力與變形狀態(tài)評(píng)定，以驗(yàn)證其在指定的嚴(yán)酷地震工況條件下是否能保持功能完整性并滿足正常的工作需求。

1 氣體過(guò)濾減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以國(guó)內(nèi)某核電站使用的與某型號(hào)核級(jí)閥門(mén)配套的一款NPT1/2進(jìn)出口氣體過(guò)濾減壓閥為例，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；跍p壓閥的結(jié)構(gòu)特征，其具體工作原理是：由調(diào)節(jié)彈簧2推動(dòng)膜片下移，帶動(dòng)閥芯5下移，當(dāng)閥芯下移高度為h時(shí)，向上的力與向下的力相等，閥門(mén)達(dá)到開(kāi)啟平衡狀態(tài)，氣體通路打開(kāi)；隨著進(jìn)氣口持續(xù)進(jìn)氣，膜片下腔室6氣體壓力增大，使膜片組件4上移，導(dǎo)流孔13打開(kāi)，氣體通過(guò)泄壓孔14外泄；在氣體外泄過(guò)程中，膜片組件向上的力逐漸減小并等于調(diào)節(jié)彈簧力，導(dǎo)流孔關(guān)閉，閥芯向下力同時(shí)也減小，最終達(dá)到與復(fù)位彈簧8的彈簧力相等，閥門(mén)達(dá)到關(guān)閉平衡狀態(tài)。

1-調(diào)節(jié)旋鈕；2-調(diào)節(jié)彈簧；3-上蓋；4-膜片組件；5-閥芯；6-下腔室；7-閥體；8-復(fù)位彈簧；9-濾網(wǎng)支架；10-外殼；11-集水罐；12-排水螺栓；13-導(dǎo)流孔；14-泄壓孔圖1 氣體過(guò)濾減壓閥結(jié)構(gòu)

2 氣體過(guò)濾減壓閥抗震分析

2.1 有限元模型分析

氣體過(guò)濾減壓閥的材料采用ASME規(guī)定的材料，經(jīng)查詢ASME BPVC對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[4]，得到各主要零件的材料性能參數(shù)。

根據(jù)減壓閥安裝需求，將安裝邊界條件看作是固定約束形式；在Femap中進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四面體10節(jié)點(diǎn)離散模型，模態(tài)分析時(shí)選用103模塊計(jì)算結(jié)構(gòu)特征頻率，應(yīng)力計(jì)算時(shí)選用101靜態(tài)分析模塊[5]。減壓閥有限元模型如圖2所示。

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)物體產(chǎn)生共振的知識(shí)原理，需要對(duì)空氣過(guò)濾減壓閥進(jìn)行振動(dòng)固有頻率和模態(tài)振型研究，地震波頻率一般小于33 Hz，所以為了使減壓閥不與地震波產(chǎn)生共振，則其第1階固有頻率應(yīng)大于33 Hz[6]。利用Femap&NX Nastran計(jì)算后得到減壓閥的第1階頻率為809 Hz，大于33 Hz，故閥體不會(huì)與地震波產(chǎn)生共振。減壓閥第1階振型圖如圖3所示。

圖2 減壓閥有限元模型 圖3 減壓閥第1階振型圖

2.3 應(yīng)力分析與載荷組合

采用等效靜力法進(jìn)行地震工況下的應(yīng)力分析，即將等效的空間正交三個(gè)方向的地震加速度同時(shí)施加于整個(gè)減壓閥主體[7]。根據(jù)合力等效與合力矩等效的原理，分解出薄膜應(yīng)力σm、彎曲應(yīng)力σb、總應(yīng)力三種應(yīng)力。

抗震分析的載荷包括設(shè)備自重、螺栓預(yù)緊力等使用載荷和地震載荷，載荷組合及應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則如表1所示。表1中，S為材料許用應(yīng)力(260 ℃)。

表1 載荷組合及應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

2.4 應(yīng)力評(píng)定

2.4.1 減壓閥總應(yīng)力

按圖4所示對(duì)減壓閥自重、地震加速度等載荷作用下的主要部件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

對(duì)減壓閥施加如圖4所示的x、y、z三個(gè)方向的地震加速度和重力加速度之后，得到其整體所受最大等效應(yīng)力約為21.3 MPa，最大變形為0.004 28 mm。

2.4.2 上蓋應(yīng)力評(píng)定

利用Femap軟件對(duì)過(guò)濾減壓閥的上蓋進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，其應(yīng)力圖及評(píng)定路徑圖如圖5所示。

由圖5標(biāo)識(shí)的應(yīng)力評(píng)定路徑1給出的線性化應(yīng)力圖如圖6所示。

圖4 減壓閥約束及載荷圖

圖5 上蓋應(yīng)力圖及評(píng)定路徑圖

圖6 上蓋路徑1線性化應(yīng)力圖

根據(jù)上述分析得到上蓋具體的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果，如表2所示。

表2 上蓋應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

2.4.3 閥體應(yīng)力評(píng)定

利用Femap軟件對(duì)過(guò)濾減壓閥的閥體進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，其應(yīng)力圖及評(píng)定路徑圖如圖7所示。

圖7 閥體應(yīng)力圖及評(píng)定路徑圖

由圖7標(biāo)識(shí)的應(yīng)力評(píng)定路徑1給出的線性化應(yīng)力圖如圖8所示。

根據(jù)上述分析得到閥體具體的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果，如表3所示。

圖8 閥體路徑1線性化應(yīng)力圖

表3 閥體應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

2.4.4 外殼應(yīng)力評(píng)定

利用Femap軟件對(duì)過(guò)濾減壓閥的外殼進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，其應(yīng)力圖及評(píng)定路徑圖如圖9所示。

圖9 外殼應(yīng)力圖及評(píng)定路徑圖

由圖9標(biāo)識(shí)的應(yīng)力評(píng)定路徑1給出的線性化應(yīng)力圖如圖10所示。

根據(jù)上述分析得到外殼具體的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果，如表4所示。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)過(guò)濾減壓閥的結(jié)構(gòu)與工作原理分析，利用Femap有限元軟件分析得到該型號(hào)減壓閥的第1階自振頻率大于33 Hz；根據(jù)減壓閥應(yīng)力分析結(jié)果可知，該型號(hào)減壓閥在自重、地震加速度等組合載荷共同作用下，各薄弱部位的計(jì)算應(yīng)力值均小于相應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定的許用應(yīng)力值，從而證明在各類(lèi)載荷組合共同作用下該減壓閥的結(jié)構(gòu)與功能完整性可以得到保證。

圖10 外殼路徑1線性化應(yīng)力圖

表4 外殼應(yīng)力評(píng)定結(jié)果