核级主蒸汽安全阀抗震分析及应力评定

沈　伟，　张强升，　陈天敏，　高开科

(1. 环境保护部核与辐射安全中心， 北京 100082；2. 苏州纽威阀门股份有限公司， 江苏苏州 215129)



核级主蒸汽安全阀抗震分析及应力评定

沈伟1，张强升1，陈天敏2，高开科2

(1. 环境保护部核与辐射安全中心， 北京 100082；2. 苏州纽威阀门股份有限公司， 江苏苏州 215129)

摘要：应用有限元软件Ansys对某核级主蒸汽安全阀样机进行模态分析及结构优化，计算安全阀在地震载荷及设计载荷组合作用下的应力和变形，完成应力评定并校核阀杆和静止部件的最大相对间隙.结果表明:该安全阀样机在地震工况下能保证其结构完整性及可运行性，满足抗震设计要求，具有良好的工程实用价值.

关键词：安全阀； 有限元； Ansys； 抗震分析

主蒸汽安全阀用于压水堆核电厂主蒸汽系统，是对主蒸汽系统压力进行超压保护的重要设备,其核安全级别为核2级，抗震类别为1A.在地震载荷及设计载荷组合作用下，要求主蒸汽安全阀能保证结构的完整性及可运行性.因此，为了保证主蒸汽安全阀在使用期限内安全运行，必须对其进行抗震鉴定[1].

核级设备的抗震鉴定一般可采用抗震分析、抗震试验、分析与试验相结合的方法.笔者借助有限元软件Ansys对某核2级主蒸汽安全阀进行模态分析、结构优化和应力计算，并根据应力分类原则及RCC-M设计规范对阀门的关键部件进行力学分析及评定,分析和验证阀门在地震载荷和设计载荷组合作用下的抗震性能.

1抗震分析及评定要求

某弹簧式核2级主蒸汽安全阀应用于CPR1000核电厂，作为抗震Ⅰ类物项，要求其在运行基准地震载荷(POBE)和安全停堆地震载荷(PSSE)作用下，能够继续保持其结构的完整性和良好的工作特性.在进行应力安全评定时，为了简化计算，一般只考虑事故工况以及PSSE，并采用B(RCC-M的O/A/B/C/D)级准则进行评定，这样可以包络POBE.同时评定中需要考虑正常工况，因此为了能够包络所有工况，采用O级应力限值进行评定.如果安全阀在事故工况下满足RCC-M中的O级准则，则抗震分析需要考虑的其他工况的计算结果必小于相应的应力限值[2]，具体的使用等级和应力限值如表1所示.表1中，Dw为设备自重；pPD为设计静压；Peb为接管载荷；PSSE为安全停堆地震载荷；σm为总体薄膜应力；σL为局部薄膜应力；σb为弯曲应力；S为许用应力.

表1　使用等级和应力限值

2建立有限元模型

安全阀总高为1 980 mm，总质量为1 150 kg，进、出口公称通径分别为200 mm和250 mm，设计压力为8.6 MPa，设计温度为316 ℃.通过NX UG8.5建立该安全阀的三维几何实体模型图(图1).在建模过程中，坐标系原点定在流道中心处，装配体要避免出现部件之间的干涉和大间隙，同时可以忽略结构中非重点关注或应力、变形很小的区域，如影响网格划分的小孔、倒角、圆角、尖细面和螺纹等特征，最后将三维几何模型导入有限元软件Ansys前处理程序.

在有限元分析之前，建立安全阀结构系统的力学模型，结构计算采用的离散化模型应能较真实地模拟结构的几何形状和物理特性，并对比较危险的部件和截面进行网格细化，以提高计算结果的准确性[3].安全阀的有限元网格划分如图2所示，采用三维实体单元Solid187对安全阀各部件进行网格划分，部件之间通过网格结点协调连续、MPC约束、建立Targe170和Conta174接触对的方法进行处理，阀体和阀盖划分高质量网格，沿壁厚方向的节点均匀分布在一条直线上，节点数不少于5.模型共包含421 736个节点，136 042个实体单元.设计温度下安全阀主要部件的材料特性参数见表2.

图1　某安全阀三维几何实体模型图

图2　某安全阀有限元网格图

部件名称材料类别弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPa抗拉强度/MPa许用应力/MPa阀体M111220MN5M1.83×1050.3205483121阀盖M111220MN5M1.83×1050.3205483121阀座M3306Z2CND18-121.75×1050.3173483108阀杆X6CrNiMo16-0.41.92×1050.3616754175螺栓M511042CrMo41.75×1050.3724862172

3模态分析及结构优化

安全阀的抗震性能通常与自身的固有动态特性有关，最基本的要求是阀门整体的一阶固有频率大于33 Hz，从而避开地震激励的工作频率，不至于造成共振.实际设计时，应尽可能使最低阶固有频率更大、刚性更好.笔者采用子空间迭代技术计算安全阀的固有频率和振型，为计算其在地震载荷作用下的响应做技术准备.

在对该安全阀建立模型和计算时，有限元模型的位移边界条件为对阀门进口与管道连接的端面施加固定约束，再计算并提取前三阶固有频率和振型[4].图3为初始设计时该安全阀第一阶振型图，其固有频率为31.07 Hz，小于33 Hz，属于危险临界区域.为提高该安全阀的第一阶固有频率，对影响最低阶固有频率的结构刚度的部件进行优化设计，改变其几何设计参数.在采取最大限度地降低阀盖的高度以及增大阀杆直径的措施后，该安全阀的固有频率得到较大提升.图4为优化设计后的安全阀第一阶振型图，其最低阶固有频率为42.88 Hz，满足大于33 Hz的技术要求，表明优化后的安全阀结构刚性较好，在抗震分析时可采用等效静力法.

图3　初始设计时安全阀第一阶振型图

Fig.3First-order mode shape of the safety valve during initial design

图4　优化设计后安全阀第一阶振型图

Fig.4First-order mode shape of the safety valve after design optimization

4抗震分析

4.1载荷及边界条件

根据主蒸汽安全阀的实际工况，对阀门进、出口与管道连接的端面施加固定约束.抗震分析考虑的主要载荷包括内压载荷、自重载荷、接管载荷、PSSE和阀体阀盖连接螺栓预紧力.为保守计算，事故工况下的压力取设计压力的1.5倍；采用等效静力法进行抗震分析时，PSSE要求沿3个互相垂直轴线方向加载6g(g为重力加速度，g=9.8 m/s2)的静态当量地震载荷.为了模拟最苛刻的地震工况，加载方向应有一个处于对安全阀的抗震性能最不利的方向，即保证有一个方向为安全阀刚性最小的方向；设备自重考虑为在设备上施加1g的重力加速度；安全阀的设计温度主要用来确定此温度下材料的许用应力，分析中不考虑由于温度作用产生的热应力.阀体阀盖连接螺栓预紧力由式(1)计算：

(1)

式中：k为根据连接类型和应用场合而确定的经验系数，对于安全阀中的法兰连接，取值为0.38；σs为螺栓许用应力；d为螺柱直径.

接管载荷(即管道反作用力)在阀体上产生的应力由RCC-M B3552.2的规范公式法计算得出，其值为25.3 MPa，然后线性叠加利用分析法计算得到的由地震载荷及设计载荷组合作用引起的阀体应力，所得的总应力即为既考虑地震及设计载荷，又考虑接管载荷的应力.

4.2计算结果及评定

阀体、阀盖和阀座作为承压部件，根据计算得到的应力分布确定典型的危险截面，在Ansys中选取危险截面的内外壁2个节点作为应力线性化路径，然后进行应力线性化，对应力进行分类并得出应力线性化结果，利用RCC-M规范进行应力强度评定.为使结果保守以及能包络所有工况，在评定时应力限值取O级，即σm<1.0S且σm+σb<1.5S.

阀杆采用弹塑性材料，为保守起见，采用第三强度理论进行评定.在内压、自重、螺栓预紧力和SSE组合作用下，阀门整机的应力计算结果见图5.

图5　阀门整机的应力强度分布云图

4.2.1阀体应力结果及评定

图6为阀体的应力强度分布云图，因对称，仅取1/2截图.图7为阀体危险截面和高应力区域的应力评定线示意图.

图6　阀体应力强度分布云图

图7　阀体应力评定线示意图

阀体材料的许用应力S为121 MPa，评定允许应力为：σm=1.0×S=121 MPa,σm+σb=1.5×S=181.5 MPa.

表3为阀体危险截面和高应力区域的应力评定表，评定结果为合格，阀体的强度完全满足要求.

表3　阀体(在O级准则下)的应力评定

4.2.2阀盖应力结果及评定

图8为阀盖的应力强度分布云图，因对称，仅取1/2截图.图9为应力评定线示意图.

图8　阀盖应力强度分布云图

阀盖材料的许用应力S为121 MPa，评定允许应力为：σm=1.0×S=121 MPa；σm+σb=1.5×S=181.5 MPa.

表4为阀盖高应力区域的应力评定表，评定结果为合格，阀盖的强度完全满足要求.

4.2.3阀座应力结果及评定

图10为阀座的应力强度分布云图，因对称,仅取1/2截图.图11为阀座高应力区域和危险截面的应力评定线示意图.

图9　阀盖应力评定线示意图

应力路径应力分类及准则计算结果/MPa允许应力/MPa评定结果C-Cσm

图10　阀座应力强度分布云图

图11　阀座应力评定线示意图

阀座材料的许用应力S为108 MPa，评定允许应力为：σm=1.0×S=108 MPa,σm+σb=1.5×S=162 MPa.

表5为阀座高应力区域和危险截面的应力评定表，评定结果为合格，阀座的强度完全满足要求.

表5　阀座(在O级准则下)的应力评定

4.2.4阀杆应力、变形结果及评定

图12为阀杆的应力分布云图，阀杆的最大应力强度为155 MPa，小于其许用应力175 MPa.作为非标准承压部件，阀杆的一次应力强度总是小于最大应力强度.因此，无须进行应力线性化就可确认阀杆的一次应力必小于材料许用应力，满足强度要求.

图13为阀杆的变形云图，阀杆顶端的最大变形量为0.95 mm，可动部件阀杆与静止部件调节套相接触处的最大变形仅为0.048 mm.可动部件与静止部件的相对变形不超过实际间隙0.3 mm的90%，阀杆与静止部件的相对变形满足设计要求，不影响安全阀的可运行性.

图12　阀杆应力分布云图

图13　阀杆变形云图

4.2.5阀体阀盖连接螺栓应力评定

阀体与阀盖由8个M36螺栓连接，螺栓的材料为奥氏体M5110 42CrMo4，其抗拉强度Su=862 MPa，在计算载荷作用下，连接螺栓的最大拉伸应力与最大剪切应力分别为168.4 MPa和27.1 MPa.连接螺栓的拉伸应力和剪切应力云图分别见图14和图15.

图14　连接螺栓拉伸应力云图

图15　连接螺栓剪切应力云图

根据RCC-M 强制性附录ZVI 2460螺栓紧固件连接要求，同时承受拉伸和剪切应力的螺栓，拉伸和剪切应力应满足下式：

(2)

式中：ft为计算拉伸应力；fv为计算剪切应力；Ftb为工作温度下螺栓的许用拉伸应力；Fvb为工作温度下螺栓的许用剪切应力.

阀体阀盖连接螺栓应力评定结果见表6，连接螺栓的应力均小于对应的应力限值，并有一定的安全裕度.

表6阀体阀盖连接螺栓应力评定

Tab.6Stress evaluation of the connecting bolts between valve body and valve cover

评定内容计算结果评定限值结论拉伸应力ft/MPa168.4Ftb=0.3Su=258.6合格剪切应力fv/MPa27.1Fvb=Su/8=107.75合格f2t(Ftb)2+f2v(Fvb)20.698≤1合格

5结论

(1) 采用三维实体单元对某核2级安全阀部件进行建模，并对应力敏感区的网格进行细化，在较好地模拟结构特性的基础上,考虑了计算成本和时间因素.

(2) 为了提高某核2级主蒸汽安全阀的第一阶固有频率，对影响结构刚度的部件进行优化设计.优化设计后安全阀的前三阶正交轴向自振频率均大于33 Hz，具有足够的刚度.

(3) 在考虑内压、自重和地震载荷作用下，对核2级主蒸汽安全阀进行了抗震分析，并根据RCC-M进行分析和评定,结果表明该核2级主蒸汽安全阀样机在地震工况下能保证其结构完整性和可运行性，满足抗震设计要求.

参考文献：

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Aseismic Analysis and Stress Evaluation of Main Steam Safety Valve for Nuclear Power Stations

SHENWei1,ZHANGQiangsheng1,CHENTianmin2,GAOKaike2

(1. Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China; 2. Neway Valve (Suzhou)Co., Ltd., Suzhou 215129, Jiangsu Province, China)

Abstract：Modal calculation and structural optimization were conducted to a main steam safety valve prototype for nuclear power stations using finite element software Ansys, while the stress and deformation of the valve subjected to both earthquake load and design load were calculated, so as to perform the stress evaluation and estimate the maximum gap between valve stem and related stationary part. Results show that the valve prototype can maintain structural integrity and normal operation under earthquake conditions, which is able to meet the requirement of aseismic design and would have good prospects in engineering applications.

Key words：safety valve; finite element; Ansys; aseismic analysis

文章编号：1674-7607(2016)02-0162-06

中图分类号：TL48

文献标志码：A学科分类号：490.65

作者简介：沈伟(1979-)，男，安徽滁州人，高级工程师，博士，主要从事核电厂核级机械设备安全审评方面的工作.张强升(通信作者)，男，工程师，硕士，电话(Tel.)：010-82205917；E-mail：zhangqiangsheng87@163.com.

收稿日期：2015-04-28

修订日期：2015-05-16