核一级楔形双闸板闸阀抗震性能分析

董学莲，廖佳敏，张聪林，赵 雄，费 凌

核一级楔形双闸板闸阀抗震性能分析

董学莲，廖佳敏，张聪林，赵 雄，费 凌

（西华大学机械工程学院，四川 成都 613009）

核电设备的抗震性能是衡量其安全可靠性的重要指标之一。本文针对一种大型核电站用楔形双闸板闸阀进行了抗震性能分析。首先，基于ANSYS平台对该阀门的基频进行分析，确定了抗震分析的方法，即等效静力法；其次，基于所采用的方法，对其在承受工况载荷、地震载荷以及自身重力情况下的受力进行了分析，得到了阀门的等效应力应变，在该过程中，为减少单纯载荷反应产生的叠加误差，采用了将各个方向的振型进行综合开方的方法；最后，根据ASME应力评价规范，在阀门组件危险点处划定路径并进行评定。结果表明，所划定的3条危险路径应力分布均未超过阀门所能承受的应力极限值，即所设计的阀门符合设计规范，能够满足工况要求。论文分析结果为该类核一级电站阀门的抗震分析以及进一步结构优化设计提供了参考依据。

楔形双闸板；闸阀；核电；抗震性能分析；等效静力法；应力评价；ANSYS

闸阀在管道供水系统和石油化工行业中广泛应用，用于对介质进行全开和全切断[1]。按照密封形式，可将闸阀分为平行闸阀、平行双闸板式闸阀、楔形闸阀以及楔形双闸板闸阀等。在核电站类阀门中，楔形双闸板闸阀由于具有的独特结构，得到了较好的应用。一方面，为了弥补阀板密封面角度在加工过程中产生的偏差，该阀门的阀板设计为2块；另一方面，2块阀板中间用顶芯连接，通过顶芯调整密封面角度，2块阀板与阀座之间能实现很好的密封效果。

由于楔形双闸板闸阀的结构比普通阀门大，在安装前必须进行安全可靠性测试，以避免由于安装后再测试造成损失。同时，对于核一级阀门而言，在设计时必须考虑阀门在地震载荷工况下的应力情况。通常情况下，验证阀门的抗震性能需要利用相关设备进行抗震试验，以保证其抗震性能。

在已有的文献中，阀门抗震性能分析已经取得了一定成果。何庆中等[2]针对一种真空破坏阀进行了抗震分析，验证了该阀门的抗震性能。文献[3]针对一种衬套阀进行了抗震性能分析，得到了在多工况下的震动响应，并基于分析结果进行了系统结构优化。曾立飞等[4]研究了汽轮机调节阀阀杆系统震动原因以及减震方法，解决了实际系统中阀杆震动造成的损失问题。刘爱国等[5]研究设计了一种直流换流阀，并通过数值模拟过程验证了该阀门的抗震性能。徐志新等[6]验证了一种核级风道调节阀，通过Nastran软件模拟了其在地震载荷下的震动性能。周文霞等[7]对一种核电站主泵机组的地震响应谱进行了分析。陈卫忠等[8]给出了地下工程的抗震分析方法及评价指标。沈伟等[9]针对一种核级蒸汽安全阀进行了模态分析及结构优化，得到了地震载荷以及设计载荷工况下阀门组件的应力分布，并基于计算结果对系统组件进行了校核，验证了该阀门的抗震性能。以上研究所涉及到的阀门或类似阀门设备体积小，容易制造，在结构优化过程中易于再设计。

目前，国内对大口径核电闸阀的抗震分析文献较少。本文针对一种核一级楔形双闸板闸阀进行了抗震性能分析，研究了一种适合该类阀门抗震分析的数值模拟方法，并采用ASME规范标准对其进行了应力评定。

1 楔形双闸板闸阀工作原理、技术参数及主要问题

1.1 工作原理

楔形双闸板闸阀结构如图1所示。该阀门主要由阀体、阀座、顶芯、阀板和阀杆组成。工作介质从左侧进入，经过腔体后由右侧流出。通常情况下，阀座是该类阀门易磨损变形部位。本文采用楔形双闸板结构，可以有效提高其密封性能；同时，结合所设计的顶芯结构，可以有效消除阀板与阀座密封面的间隙。在长期工作后，阀板密封面会被磨损，由于阀板为楔形结构，可以在二者间增加补偿片，以保证阀门能够正常工作，从而降低设计成本。

1.2 主要技术参数

本文设计的楔形双闸板闸阀主要工况参数为：设计压力10.3 MPa，温度545 ℃。由热力学方程可知，介质在该工况下为过热蒸汽态。过热状态介质对阀门本体材料的选择以及加工工艺均有严格的要求。结合阀门工作环境，本文选用阀门材料如下：阀体选用WC9，阀座与阀板则采用12Cr1MoV（所选材料和实际阀门一致）。这2种材料强度高，在高温条件下依然具有较好的机械性能，其相应的物理性能见表1。

表1 阀座和阀体材料物理性能

Tab.1 The physical properties of materials for the seat and valve body

1.3 主要存在问题

在该阀门工作过程中，当阀杆提升行程较小时，阀板与阀座间隙形成吼口，工作介质快速通过时在出口侧暂时形成负压，会对阀座造成震动甚至损坏。此外，在电站系统设计中，也必须考虑由地震等自然灾害造成的震动对核一级阀门的影响。

因此，在该类阀门投入使用前，必须进行阀门抗震性能检测。然而，本文所研究的核电闸阀公称通径为DN450，由于体积及重量原因，无法完成动态探查试验，即扫频试验。同时考虑到成本因素，本文采用数值模拟方式进行抗震性能分析。目前，一些设计研究院，如中国核动力设计研究院，以及相关标准，如法国RCCM核电标准和美国ASME标准中，针对大口径核电闸阀也采用有限元方法进行分析。在数值模拟中，采用合适的方法以及评价方式是该项工作的难点。

2 楔形双闸板闸阀抗震性能分析

2.1 模型建立与载荷分析

根据图1所示的阀门结构建立该闸阀的三维模型。基于hypermesh对该三维模型进行网格划分，得到该阀门的有限元模型。在划分网格时，由于阀座以及阀板是该阀门的重要部件，对其进行了网格加密处理。最终得到模型网格数为852 919，节点数为1 368 127，网格质量较好。经验证，再增加此模型网格数量，并不会提高计算结果的精度，故此网格划分合理。最终得到的网格模型如图2所示。

由于该闸阀结构、受力均具有对称性，本文选取半模型进行分析，采用对称边界，两端固定约束。此外，考虑到阀门的安装工况，在建立模型时将两侧管道进行同直径加长，以尽量符合阀门工作情况。

在抗震分析中，施加载荷为阀门工况载荷、地震载荷和阀门自身的重量。通常阀门抗震分析的载荷类型分为O/A、B、C、D级。其中，O/A级载荷适用于正常工况，B级载荷对应较可能发生的异常工况，C级载荷对应紧急工况，D级载荷对应极限事故工况。本文进行抗震分析时选用了D级载荷。

值得注意的是，地震波属于连续的非线性载荷，在实际工况下，很难获得该类信号的数据分布情况。由文献[10-11]可知，当物体的基频大于33 Hz时，可以采用等效静力法进行研究。该方法的基本思想是将地震载荷等效的转化为惯性力施加在阀门上，采用静力结构分析的方法计算其结构应力与位移，并基于该结果进行阀门的抗震性能分析。该分析方法不能动态地反映各部件之间的动力特性及动力耦合关系，但其优点也很突出，如物理概念清晰、计算简单、工作量小，并且计算需要的参数易确定[10]。此外，考虑到阀门组件之间的接触关系，本文采用增强拉格朗日接触算法，在阀座与阀板、阀座与阀体之间进行接触分析。

2.2 抗震性能分析结果

按照ASME核电规范与标准BPVC-Ⅲ，部件在组合载荷作用下，其薄膜应力L，薄膜应力与弯曲应力之和L+b，以及薄膜应力、弯曲应力及二次应力之和L+b+需小于应力限值，限值分别为1.5、1.8、3MPa（为表1中材料的许用强度）。

在抗震分析中，首先需要提取阀门在地震载荷下的固有振型。表2给出了阀门前6阶振型。为了阅读方便，本文仅列出了阀门的第1阶、第3阶、第6阶振型图，分别如图3所示。从图3可以看出，其第1阶固有频率为149.86 Hz，满足等效静力分析法的条件，故本文的分析方法合理。

表2 阀门前6阶振型

Tab.2 The first six order vibration modes of the valve

2.3 模拟结果分析与评定

本文采用在地震载荷下的综合计算方法，采取各个方向的平均值有利于减少由于单纯叠加造成的误差，进而能可靠地反映阀门的实际状况[12]。在实际阀门设计中，强度计算只考虑系统重要的承压组件，其余零件选取符合压力和温度的材料即可。本文主要针对阀体阀座等主要部件进行建模并进行应力分析，螺栓组件等的应力未给出。阀门载荷为工况压力10.3 MPa、自身重力载荷、地震载荷（水平2个正交方向加速度为39 240 mm/s2，竖直方向加速度为19 620 mm/s2）以及温度545 ℃下的等 效应力、等效应变、总变形、温度梯度结果如 图4所示。由图4可以看出，阀门在上述载荷下的最大应力发生在阀座与阀体的接触区域，最大应力为160.11 MPa。由于最大应力发生在阀门承重组 件沿壁厚方向，为了更好地评定，本文沿阀座及阀体的厚度方向进行应力评定。评定中，阀门壁厚为40 mm，样点间距0.8 mm，所取样点数能较好地反映壁厚方向的应力分布情况。阀座和阀体应力评定路径如图5所示。

根据ASME核电规范与标准BPVC-Ⅲ[13-14]，在阀门组件应力较高的地方，将各应力分量沿应力分布线进行当量化处理，同时提取危险路径上一次局部薄膜应力、一次弯曲应力以及二次应力，并根据上述标准进行校核评定。此外，由阀门的工况条件可知，热载荷存在于系统中，应该考虑热应力的影响。本文温度场考虑如下：进口侧介质接触面加载温度为545 ℃，阀体壁面设置为换热壁面，换热系数为0.000 005 W/(mm2·℃)。阀体应力评定结果如图6所示。求取3个评定路径的薄膜应力，薄膜应力与弯曲应力之和，薄膜应力、弯曲应力、二次应力之和，提取三者的应力最大值，根据2.2节评定准则，得到评定结果见表3。

表3 阀体和阀座应力路径评定结果

Tab.3 The stress path assessment results for valve body and seat

从表3可以看出，在阀门承受工况，载荷、地震载荷、自身重力载荷以及温度场工况下，阀门组件按照危险路径标定的最大应力均未超过其极限值，表明阀门在该工况条件下的设计合理，满足核一级阀门结构设计要求。

3 结论及下一步工作

1）对所设计的楔形双闸板闸阀进行模态分析，得到其基频为149.86 Hz，大于33 Hz，表明对该阀门可采用等效静力法进行抗震性能分析。

2）采用等效静力法对该阀门进行分析，结果表明该阀门在承受工况载荷、地震载荷、自身重力载荷以及温度场情况下，最大应力均符合ASME评价规范，进一步说明该阀门结构设计的合理性。

3）目前关于大型核一级闸阀的抗震分析文献相对较少，本文通过数值分析，得到了一种有效的闸阀抗震性能分析方法。其分析结果为该类大型核一级阀门的抗震性能分析以及进一步结构改进设计提供了参考，也为其他大型核一级阀门的抗震分析提供了一定的参考依据。

4）在本文分析中，采用等效静力法对该阀门进行了抗震性能分析。下一步工作是基于该分析方法结果，进一步对阀门结构进行优化，在阀门符合抗震性能规范的前提下，通过优化阀门结构，得到较好的流场分布特性，使得阀门能够安全可靠运行。此外，在条件成熟下，准备利用相关设备进行阀门的抗震性能试验，进一步验证该方法的可行性。

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Seismic performance analysis of nuclear first class wedge-shaped double-gate valve

DONG Xuelian, LIAO Jiamin, ZHANG Conglin, ZHAO Xiong, FEI Ling

(College of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Seismic performance of nuclear power equipment is one of the important indexes measuring its safety and reliability analysis system. In this paper, the seismic performance of a wedge-shaped double-gate for nuclear power plant is analyzed. First of all, the seismic analysis method, namely the equivalent static method, is determined by analyzing the basic frequency of the valve based on ANSYS platform. Secondly, based on the adopted method, the stress analysis of the valve under working condition load, seismic load and its own gravity is carried out, and the equal stress and deformation are obtained. In this process, in order to reduce the superposition error caused by the simple load reaction, the method of taking the comprehensive square root of the vibration modes in all directions is adopted. Finally, according to the ASME stress evaluation code for pressure vessels, the valve components are evaluated along the path of the danger point. The results show that, the stress distribution in the three defined danger paths does not exceed the limit value of the stress that the valve can withstand, which means that the designed method conforms to the design specification and can meet the requirements of working conditions. The analysis results provide a reference for seismic analysis and further structural optimization design of this kind of nuclear first class valves in power stations.

wedge-shaped double-gate, gate valve, nuclear power, seismic performance analysis, equivalent static method, stress evaluation, ANSYS

TM623.4

A

10.19666/j.rlfd.201904120

2019-04-29

四川省教育厅项目(182494)；西华大学校重点项目(217222)

Supported by：Sichuan Provincial Department of Education Project (182494); Key Project of Xihua University (217222)

董学莲(1993)，女，硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计与机电控制技术，dongxuelian11@163.com。

张聪林(1993)，男，硕士研究生，主要研究方向机械制造与自动化技术，ZCL554411@163.com

董学莲, 廖佳敏, 张聪林, 等. 核一级楔形双闸板闸阀抗震性能分析[J]. 热力发电, 2019, 48(10): 111-116. DONG Xuelian, LIAO Jiamin, ZHANG Conglin, et al. Seismic performance analysis of nuclear first class wedge-shaped double-gate valve[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 111-116.

（责任编辑 刘永强）