核电站阀门抗震分析与计算

周长宝

（安策阀门（太仓）有限公司，江苏太仓215400）

0 引 言

核电站使用阀门有相当部分会有抗震等级要求，阀门在地震过程中，地震载荷对阀门承压边界会产生一定影响，核电站使用的阀门必须能承受地震载荷给阀门带来的应力作用，阀门地震载荷的分析一般采用有限元分析软件进行阀门固有频率分析，然后用等效静力法来计算地震载荷引起的压力，并将等效压力与工作压力叠加后计算与其总压力所对应的应力值，然后根据评定原则来校核阀门承压边界零件的应力强度。本文以核级旋塞阀为例分析了阀门的固有频率计算，同时对阀门的抗震分析的一般过程做了论述，不同的阀门类型计算过程略有不同。

1 阀门设计参数与材料

该阀门为核安全2级，抗震1A类旋塞阀，阀门的公称通径为DN80,接管尺寸为φ88.9×5.5 mm,阀门的公称压力为Class150,阀门的设计压力为1.33 MPa，水压强度试验压力为2.66 MPa，设计温度为150 ℃。

该旋塞阀的组装图如图1所示，主要由阀体、阀瓣、阀盖、下阀盖、执行器支架、电动执行器、螺栓螺母组成。阀门质量为100 kg，其中电动执行器的质量为51 kg。阀体、旋塞、阀盖、下阀盖材料均为Z2CND17-12，阀盖螺栓及下阀盖螺栓材料为X6CrNiCu17-04, 螺母材料为X12Cr13。计算所取材料参数如表1所示。

表1 阀门结构材料参数

2 阀门固有频率

采用有限元分析软件进行阀门的固有频率计算，首先要简化三维模型，取消一些复杂倒角或者沟槽区域，因为模型过于复杂会影响到模型的网格划分，最终导致计算结果的不准确。三维模型简化完成后，进行网格划分，然后选用合适的固有频率分析求解器完成阀门固有频率的计算。只有在阀门的固有频率大于33 Hz的情况下，才可以使用等效静力法来做阀门的抗震分析[1]。

3 载 荷

阀门的载荷包括自重、内压、管道载荷、地震载荷等[2]。

3.1 管道载荷

管道传递给阀体的载荷被称为管道载荷。如果阀门的管道载荷大小在设计规格书中并没有提供，我们可以依据RCC-M C3552确定阀门的管道载荷[3]，即：

式中：Cb为弯曲载荷的应力指数；ri为阀门支管内径，mm；Tr为阀门支管壁厚，mm；Gb为阀体支管处惯性模量；Fb为连接管道的惯性模量；De为管道外径，mm；Di为管道内径，mm。

3.2 地震载荷

阀门整机包括外伸机构的最低自振频率大于33 Hz的阀门，其抗震计算可采用等效静力法，即将等效的地震加速度引起的静载荷施加于外伸机构的重心上，且考虑空间正交三个方向的等效地震载荷同时作用。地震会给阀门带来水平X方向、水平Z方向及垂直Y方向等3个方向上的加速度,重力加速度是g=9.81 m/s2，地震载荷的作用如图2所示。

3.3 自重

自重载荷的施加方式为在垂直Y方向施加1g的重力加速度。

3.4 工况及载荷组合

由地震产生的载荷及其他载荷（例如内压、自重、管道载荷等）产生的应力分量或附加载荷组合如表2所示。 其中地震载荷包括OBE运行基准地震载荷，以及SSE安全停堆地震载荷。

表2 地震作用下的阀门载荷组合

阀门的各个工况下载荷一般不会逐一计算校核，一般会取包络的严酷工况来完成计算，如表3所示。

表3 严酷工况下的阀门载荷组合

4 应力计算与评定

主要针对影响阀门承压边界的阀体、阀盖及阀盖螺栓进行应力校核计算。

4.1 阀体

按照RCC-M C3550章节对阀体的一次薄膜和一次薄膜加弯曲应力进行计算分析[3]。

阀体一次薄膜应力计算公式为

阀体一次薄膜+弯曲应力计算公式为

式中：σm为阀体一次薄膜应力强度，MPa；σb为阀体弯曲应力强度，MPa；Af为阀体拐角区面积，mm2；Am为有效金属面积，mm2；ri为阀体拐角区的内半径，mm；r为阀体拐角区平均半径，mm；Ps为介质压力，MPa。

计算出的阀体一次薄膜+弯曲应力值与该阀体材料设计温度下对应的许用应力比较，满足计算值小于许用值。各工况下的应力许用强度值如表4所示。表4中：S为基本许用应力值，MPa；Sy为屈服强度，MPa。

表4 阀体各工况许用应力值

4.2 阀盖

阀盖在阀门中属于承压零件，可以采用RCCMC3324章节来计算，阀盖的计算需要同时考虑阀盖螺栓的力矩，因此一般在计算阀盖的同时，需要先计算阀盖螺栓在各个工况下的力矩情况。然后依据RCCM-C3324章节来计算出在各工况下需要的最小阀盖厚度。阀盖的材料与阀体材料相同，因此计算时所使用的许用应力值与表3中一致。计算评定的准则是，阀盖的实际厚度大于所需厚度即可[3]。

4.3 阀盖螺栓

阀盖螺栓的主要作用是保证阀门的阀盖和阀体的连接，螺栓提供一定的预紧力，保证阀门在介质载荷、地震载荷及其他多种组合载荷的作用下阀门的结构完整及垫片的有效密封。保证阀门承压边界安全性及阀门密封性。在阀门地震工况下螺栓的受力主要是由于外伸机构的偏心导致，外伸机构的质量在三个方向上的加速度的作用下，使得连接螺栓需要提供更大的预紧力，来保证阀门密封性及承压边界完整性[4]。

4.3.1 地震等效压力

对于阀盖螺栓，按照RCC-M规范中ZV200规定的方法来评定，设计压力为1.33 MPa，等效压力主要来自于地震载荷作用下产生的惯性力。等效压力与工作压力叠加后计算总压力所对应的螺栓预紧力。等效压力计算公式为：

式中：Peq为地震等效压力，MPa；Dj为垫片平均直径，mm；Mf为弯曲力矩，N·mm；Fa为外载荷轴向力，Fa=Fy，N。

4.3.2 预紧力计算

螺栓预紧力的计算需要计算三个预紧力，分别是保证螺栓实现垫片密封所需要的预紧力Fs0、保证螺栓不受剪切力所需要的预紧力Fs0′及试验工况下的预紧力Fs(Peh)。按照RCCM-ZV200章节去计算Fs0、Fs0′、Fs(Peh)[5]。

螺栓实际提供的预紧力Fsi计算公式为

式中：Csi为单个螺栓实际提供的力矩，N·mm；Pas为螺栓螺距，mm；n为螺栓数量；Rmoy-f为系数；Rmoy-a为系数。

计算中螺栓材料的力学性能参数如表1所示。通过计算，最终保证螺栓实际提供的预紧力Fsi均大于Fs0、Fs0′及Fs(Peh)。即验证了螺栓的选型合理，可以提供足够的力，保证阀盖与阀体之间的垫片可以实现正常密封，在各载荷作用下螺栓不受剪切作用，以及满足试验工况下阀门的垫片密封等[6]。

5 结 论

本文以核电站用旋塞阀为例，分析了在各个工况下的强度计算，提供了一种在包括地震载荷作用下的各工况的阀门承压边界的强度计算思路和方法。提供了一种理论依据和技术支持，其计算方法和步骤是可行有效的。