摘 要：为了验证阀门的抗震性能，基于有限元分析方法，应用NASTRAN计算阀门整机的振动模态以及在承受地震载荷及组合载荷共同作用下的应力及变形，然后根据ASME规范对承压边界部件作出应力评定和强度校核。结果表明，该核级风道调节阀在地震载荷及组合载荷作用下能保持结构完整性。

关键字：风道调节阀 抗震分析 振动模态 地震载荷

1 前言

核级风道调节阀主要应用于核岛的通风系统、安全壳内大气监测系统及风机出口处等，起阻断气流、切断通风系统、防止放射性气体倒流和对系统的自动隔离作用。风道调节阀是核电站安全运行的关键附件，设计规范要求对其进行抗震分析，目前采用有限元方法进行结构的三维力学分析已经走向成熟，并已经在核安全级设备的结构分析中得到了广泛应用。故本文利用NASTRAN对核级风道调节阀进行抗震分析，验证在地震载荷及其他载荷作用下阀门能否保持压力边界的完整性。

2 阀门简介

该阀门安全级别为3级，抗震类型为1I，阀门尺寸规格为1250.0mm×1000.0mm，设计内压0.005MPa，设计温度107.0℃。阀门的结构如图1，主要部件包括阀体、阀板、阀轴、连杆、摆臂、联接轴、支架。阀门总质量为584.6kg，其中电动装置的重量约为140.0kg。阀门部件材料力学性能，如表1所示。

图1 阀门三维模型

表1 阀门主体材料的机械性能

3 模态分析

在NASTRAN软件中使用“模态分析”模块来计算阀门组件的固有频率，从而进行阀门的抗地震分析。

依据阀门与管道的连接方式，阀门的两端与管道焊接，所以可以创建固定位移约束。计算得阀门的第一阶频率为37.4Hz，如图2所示。

图2 阀门第一阶模态

当阀门的基频超过33.0Hz时，视阀门结构为绝对刚体，允许以等效静力法模拟地震载荷进行地震试验。这种静态加载方法，即将3个方向的地震加速度载荷施加于阀门中心位置。

4 计算载荷与有限元模型

风道阀门的计算载荷包括自重、内压、管道连接载荷、检修负载、地震。各种工况下载荷组合如表2所示。

表2 阀门载荷组合

有限元模型中，阀体、阀轴、阀板、支架、连杆、摆臂、联接轴采用实体单元建模；电动装置采用集中质量点模拟，通过刚性梁与支架端面连接；在NASTRAN中采用四面体十节点单元对整体结构进行离散，共计429480.0个单元、818359.0个节点，整体及各部位的有限元模型如图3所示。

图3 阀门有限元模型

SSE地震载荷分别用3个正交方向同时作用加速度引起的等效静力代替，依据设计规范其中两水平方向为5.0g，竖直方向为3.5g。

5 阀门的应力分析与评定

5.1 应力评定位置及应力限制

阀门承压边界的分析对象包括阀体、阀板、阀轴。分析计算它们在各工况下的应力，然后进行应力强度校核与评定。阀体作为压力容器体，是基于应力分布确定典型的危险截面，根据应力分类原则，利用ASMEAG1进行应力评定（对最大主应力进行应力分解）。阀板、阀轴、支架和连杆均采用钢材塑性材料，依据进行应力评定（最大等效应力需小于许用值，即3S）。

阀体上共取了9个评定位置，如图4所示。

图4 阀体评定路径示意

应力评定只涉及总体薄膜应力σ₁以及与一次弯曲应力之和σ₁+σ₂，依据各工况的使用限制如表3所示。

表3 各工况使用限制

5.2 事故工况应力分析

考虑最恶劣的工况承受最不利的载荷组合，计算事故工况，依据阀门与管道的连接方式，阀门的两端与管道焊接，但阀门一端需加载接管载荷，所以在阀体出口端面施加固定约束。

事故工况下阀体的应力计算和评定结果见表4；阀板与阀体接触部位在内压作用下产生的最大应力小于限值（281.1MPa），如图5所示；阀轴的截面突变部位在内压的作用下产生的最大应力小于限值（405.0MPa），如图6所示；支架与连杆在地震载荷下使驱动装置带动支架和连杆共同弯曲产生的最大应力均小于限值（281.1MPa），如图7，8所示。

表4 事故工况阀体下的评定结果        （MPa）

图5 阀板应力分布

从表4的评定结果及阀板、阀轴、支架、连杆的应力分布云图看出计算值均远小于许用值，表明事故工况下阀门的应力满足标准的应力限制。

图6 阀轴的应力分布

图7 支架的应力分布

图8 连杆的应力分布

6 阀门的变形分析

阀门在事故工况下的变形如图9。

图9 事故工况下阀门的变形

依据，阀体的最大变形不能超过其跨度的1/360，阀门的跨度为350mm，其中阀板中间部位由内压产生的最大变形为0.68mm，小于阀门跨度的1/360（0.97mm）。表明事故工况下阀门的变形满足标准要求。

7 结论

（1）阀门的第一阶固有频率高于33Hz，可认为是刚性结构，可采用等效静力法进行抗震分析；

（2）阀门在地震载荷和组合载荷下，阀门各部件的评定应力均远小于许用值，满足ASME标准的要求，不会产生屈服破坏，满足强度要求；

（3）阀门在事故工况下的变形小于许用值，满足刚度要求。

因此，阀门在自重、内压、管道连接载荷、检修负载、地震载荷联合作用下能保持结构的完整性，为核电厂选用阀门提供了重要的安全保障。

 

本页关键词：进口高压电磁阀，进口高温高压电磁阀，进口高温电磁阀