核级气体过滤减压阀结构设计与抗震分析研究

王 刚，崔 禹，王楚辉

(浙江三方控制阀股份有限公司，浙江 杭州 311400)

0 引言

气体过滤减压阀是工业过程控制系统正常运行的重要环节[1]。作为气源三联件之一，它被视为气动控制系统的必备元件，被广泛地应用于火电、核电、石油、化工、食品等各种行业，其可靠性不仅关系到自身的正常工作，还对整个控制系统的安全性能产生深远影响[2]。在调节流体管路工况时，气体过滤减压阀被当做调节阀的气动附件使用，因此，对气体过滤减压阀的高强度、高刚度与高稳定性要求变得非常强烈[3]。

本文讨论一种用于核电站的核级气体过滤减压阀，通过结构原理研究与Femap有限元分析两者相结合的方法对其进行结构设计与抗震仿真分析来验证该核级设备的可靠性。首先根据需求功能对其主要结构进行工作原理分析，建立气体过滤减压阀的三维模型，对三维模型进行边界条件确定和有限元网格划分得到有限元模型；然后对其有限元模型进行模态分析，计算得到它的固有频率和振型，判断固有频率的合理性从而确定合适的应力分析方法进行地震工况下的力学分析。

本文依据美国ASME核电标准对核级气体过滤减压阀各部件进行应力与变形状态评定，以验证其在指定的严酷地震工况条件下是否能保持功能完整性并满足正常的工作需求。

1 气体过滤减压阀结构设计

以国内某核电站使用的与某型号核级阀门配套的一款NPT1/2进出口气体过滤减压阀为例，其整体结构如图1所示。基于减压阀的结构特征，其具体工作原理是：由调节弹簧2推动膜片下移，带动阀芯5下移，当阀芯下移高度为h时，向上的力与向下的力相等，阀门达到开启平衡状态，气体通路打开；随着进气口持续进气，膜片下腔室6气体压力增大，使膜片组件4上移，导流孔13打开，气体通过泄压孔14外泄；在气体外泄过程中，膜片组件向上的力逐渐减小并等于调节弹簧力，导流孔关闭，阀芯向下力同时也减小，最终达到与复位弹簧8的弹簧力相等，阀门达到关闭平衡状态。

1-调节旋钮；2-调节弹簧；3-上盖；4-膜片组件；5-阀芯；6-下腔室；7-阀体；8-复位弹簧；9-滤网支架；10-外壳；11-集水罐；12-排水螺栓；13-导流孔；14-泄压孔图1 气体过滤减压阀结构

2 气体过滤减压阀抗震分析

2.1 有限元模型分析

气体过滤减压阀的材料采用ASME规定的材料，经查询ASME BPVC对应的标准[4]，得到各主要零件的材料性能参数。

根据减压阀安装需求，将安装边界条件看作是固定约束形式；在Femap中进行网格划分时，采用四面体10节点离散模型，模态分析时选用103模块计算结构特征频率，应力计算时选用101静态分析模块[5]。减压阀有限元模型如图2所示。

2.2 模态分析

根据物体产生共振的知识原理，需要对空气过滤减压阀进行振动固有频率和模态振型研究，地震波频率一般小于33 Hz，所以为了使减压阀不与地震波产生共振，则其第1阶固有频率应大于33 Hz[6]。利用Femap&NX Nastran计算后得到减压阀的第1阶频率为809 Hz，大于33 Hz，故阀体不会与地震波产生共振。减压阀第1阶振型图如图3所示。

图2 减压阀有限元模型 图3 减压阀第1阶振型图

2.3 应力分析与载荷组合

采用等效静力法进行地震工况下的应力分析，即将等效的空间正交三个方向的地震加速度同时施加于整个减压阀主体[7]。根据合力等效与合力矩等效的原理，分解出薄膜应力σm、弯曲应力σb、总应力三种应力。

抗震分析的载荷包括设备自重、螺栓预紧力等使用载荷和地震载荷，载荷组合及应力评定准则如表1所示。表1中，S为材料许用应力(260 ℃)。

表1 载荷组合及应力评定准则

2.4 应力评定

2.4.1 减压阀总应力

按图4所示对减压阀自重、地震加速度等载荷作用下的主要部件进行应力评定。

对减压阀施加如图4所示的x、y、z三个方向的地震加速度和重力加速度之后，得到其整体所受最大等效应力约为21.3 MPa，最大变形为0.004 28 mm。

2.4.2 上盖应力评定

利用Femap软件对过滤减压阀的上盖进行应力评定，其应力图及评定路径图如图5所示。

由图5标识的应力评定路径1给出的线性化应力图如图6所示。

图4 减压阀约束及载荷图

图5 上盖应力图及评定路径图

图6 上盖路径1线性化应力图

根据上述分析得到上盖具体的应力评定结果，如表2所示。

表2 上盖应力评定结果

2.4.3 阀体应力评定

利用Femap软件对过滤减压阀的阀体进行应力评定，其应力图及评定路径图如图7所示。

图7 阀体应力图及评定路径图

由图7标识的应力评定路径1给出的线性化应力图如图8所示。

根据上述分析得到阀体具体的应力评定结果，如表3所示。

图8 阀体路径1线性化应力图

表3 阀体应力评定结果

2.4.4 外壳应力评定

利用Femap软件对过滤减压阀的外壳进行应力评定，其应力图及评定路径图如图9所示。

图9 外壳应力图及评定路径图

由图9标识的应力评定路径1给出的线性化应力图如图10所示。

根据上述分析得到外壳具体的应力评定结果，如表4所示。

3 结论

通过对过滤减压阀的结构与工作原理分析，利用Femap有限元软件分析得到该型号减压阀的第1阶自振频率大于33 Hz；根据减压阀应力分析结果可知，该型号减压阀在自重、地震加速度等组合载荷共同作用下，各薄弱部位的计算应力值均小于相应设计准则规定的许用应力值，从而证明在各类载荷组合共同作用下该减压阀的结构与功能完整性可以得到保证。

图10 外壳路径1线性化应力图

表4 外壳应力评定结果