地震载荷对核电阀门可运行性影响机理研究

俞树荣 李 尤 薛睿渊 马子睿

（兰州理工大学石油化工学院）

核电阀门作为核电厂管道系统的重要组成，能否在地震期间实现预期功能关系着整个核电管道系统能否正常运行［1］。 地震期间部分阀门要求在规定时间内完成闭合动作，实现紧急切断管内介质的功能，仅通过结构完整性对其进行抗震鉴定存在一定的局限， 功能完整性也必须考虑。功能完整性是指能动机械设备在地震工况下仍能保持可运行性。 工程实践中多采用试验法评价地震时核电阀门的可运行性［2～4］，然而研究过程仅关注阀门能否通过地震试验，受试验条件限制并未讨论地震对阀门可运行性的影响机理。 此外，通过试验鉴定会延长阀门的生产设计周期，提高设计成本，而且相较于试验法，分析法更加经济、简便，更有利于在设计阶段对设备进行调试与改进。 为了优化抗震性能，使设计期间能动部件稳定运行，徐庆然等学者已经尝试利用分析法对核安全级泵等核级能动设备机械进行可运行性分析，主要计算结构之间的几何间隙以及碰撞时的摩擦力矩等，对其可运行性进行评估［5～7］。 但目前鲜有利用分析法对核电阀门可运行性进行抗震鉴定的相关报道。

为了研究阀门在地震期间的真实动态行为，薛睿渊对某DN 80 闸阀进行了地震模拟试验，但试验过程阀门保持关闭，没有探究地震对阀门可运行性的影响［8］，笔者以该试验过程中使用的DN 80 闸阀为研究对象，对不同工况下的闭合过程进行模拟研究，总结利用分析法鉴定地震期间核电阀门可运行性的方法流程，揭示地震对其可运行性的影响机理。

1 有限元模型建立

1.1 模型建立

安装有DN 80 闸阀的阀门管道系统试验台如图1 所示，与文献［8］中的一致，试验通过施加不同类型的激励完成不同的振动试验，研究核电站中阀门管道系统在地震期间真实的动态行为。地震模拟试验使用的DN 80 闸阀及其有限元模型如图2 所示，阀门的设计压力为3.0 MPa，主要零部件包括阀瓣、阀体、阀盖、阀杆、连接法兰、填料压盖、轴套，阀门材料为WCB。

图1 安装有DN 80 闸阀的阀门管道系统试验台

图2 阀门三维模型示意图

试验所用闸阀主要用于截断或接通管路系统中的介质， 通过阀瓣与阀座上的密封面楔入完成阀门的闭合。由图2 可知，阀门开始闭合动作时，阀杆在驱动机构的作用下向下运动，推动阀瓣向阀座处的密封面贴合。闭合过程中，阀杆与轴套之间发生滑动摩擦， 阀瓣在楔入阀座的过程中，承受管道内介质压力的作用，将阀瓣压向密封面，产生弹性变形并继续向下运动。整个闭合过程阀瓣的总位移为59.8 mm， 主要有5个位置发生了滑动摩擦，分别是阀杆与轴套、阀瓣与阀体两侧导轨、 阀瓣与阀体中阀座两侧的密封面， 分析过程中将这些地方定义为摩擦接触。

1.2 边界条件设置

阀门在正常工作过程中承受的连续工作载荷包括设计压力、自重与接管载荷。 DN 80 闸阀的设计压力为3 MPa。阀门接管载荷根据RCC-M标准［1］计算，管道传递的外力矩为226 963 N·mm。阀体两端施加约束， 介质进口端设置固定约束，出口端释放水平方向的自由度，模拟阀门在管道系统中的实际工作情况。 阀门基本载荷设置如图3 所示。

图3 阀门载荷设置

建立起待分析阀门的有限元模型后首先对其进行模态分析，分析可得该阀门的一阶固有频率为36.37 Hz，第1 阶模态的变形主要基于阀门流道方向的垂直方向（模型y方向），文献［8］基于修正后的模型计算的阀门y方向一阶固有频率为34.9 Hz，与模拟计算结果相差5%以内，证明图3所示模型与实际结构基本吻合。

2 地震对阀门可运行性的影响

本节通过分析阀门各部件在施加地震载荷前后的应力与接触压力差异，研究地震对阀门可运行性的影响机理。

假设该阀门设计关闭时间为1 s， 设置阀杆速度为59.8 mm/s 并持续1 s，保证阀瓣在1 s 时完全楔入阀座。

计算所用闸阀模型的第一阶固有频率为36.37 Hz，大于33 Hz，视作刚性阀门，可以使用等效静力法进行地震响应计算。 为研究地震对阀门可运行性的影响，以1g为步长向阀门施加0g～6g等步放大的地震载荷进行地震模拟试验，当地震载荷为0g时，为正常工况。 阀门启闭动作主要由阀杆带动阀瓣完成，运动过程中与其接触的部件产生摩擦接触，同时，阀门开启关闭时间也是衡量阀门状态的一个重要标准［4］，故本节主要对阀杆、阀板运动过程中的应力、摩擦接触部位的接触压力和地震对闭合动作的影响三方面进行讨论。

2.1 阀瓣应力及接触压力分析

阀门闭合过程中，不同地震载荷下阀瓣最大等效应力随时间变化曲线如图4 所示。 观察图4可知，阀门正常闭合过程（即不施加地震载荷）阀瓣最大等效应力随着阀门的关闭逐渐升高，并在0.87 s 时达到峰值118.5 MPa， 此时阀门临近闭合，但阀瓣还未与阀座密封面发生接触，两侧导轨接触面积逐渐达到最小值，在介质压力的作用下产生峰值应力，阀瓣接触到阀座密封面后应力迅速下降。 随着地震载荷幅值的增加，阀瓣最大等效应力值被放大，由118.5 MPa 升至148.5 MPa，但峰值出现时间与正常工况基本相同。

图4 阀瓣在不同工况下的等效应力

在不同地震载荷作用下，阀瓣与导轨闭合过程中的接触压力时程曲线如图5 所示，接触压力变化趋势受到介质压力与接触面积的影响，其峰值与阀瓣等效应力峰值出现时间相同，地震载荷对接触压力具有放大效果。 在地震载荷作用下，阀瓣与导轨处接触压力与地震载荷大小呈正相关， 最大接触压力从56.56 MPa 升至74.4 MPa，最大接触压力被放大31%。 基于阀门闭合时的滑动方向判断，接触压力属于法向压力，接触压力的增大会导致阀门闭合过程受力情况更为苛刻。

图5 阀瓣在不同工况下的接触压力

2.2 阀杆应力及接触压力分析

阀门闭合过程中，不同地震载荷下阀杆最大等效应力随时间变化曲线如图6 所示，阀杆在闭合过程中受到阀瓣承受介质压力的影响，等效应力随着阀门的关闭逐渐升高， 并在0.87 s 时达到峰值69.3 MPa。 最大等效应力随着地震载荷幅值增加而增加，当地震载荷从0g 提高至6g 时，其应力峰值从69.3 MPa 升至116.9 MPa。

图6 阀杆在不同工况下的等效应力

在不同地震载荷作用下，阀杆与轴套闭合过程中的接触压力时程曲线如图7 所示。 正常工况中，受到阀瓣承受介质压力的影响，阀杆与轴套之间接触压力在临近闭合时（0.87 s 左右） 存在18.9 MPa 的峰值。 在地震工况下，地震使阀杆不断与轴套接触碰撞产生负间隙（物体表面法向距离的负值即渗透值δ），由图7 可以看出，地震载荷每增加2g，阀杆与轴套接触压力增加一倍。 地震载荷由0g 增加到6g 时，接触压力由18.9 MPa增加到52.3 MPa，最大接触压力被放大177%。相较于阀瓣与导轨之间的接触压力，阀杆与轴套接触位置压力对地震载荷变化更为敏感。

图7 阀杆在不同工况下的接触压力

由上述计算结果可知，阀杆与轴套之间的接触压力的改变与碰撞有关。 根据有限元计算方法中的罚函数法判断，导致接触压力上升的原因是地震载荷改变了阀杆与轴套之间的渗透值。 罚函数法适用于计算柔性体之间的接触或碰撞现象。当接触发生时， 从物体上的点i 将渗透主物体表面，渗透值δi=-gNi，gNi为两物体之间的法向距离。罚函数将接触视为弹簧力元，并通过渗透值来计算接触力，即：

其中，k为接触刚度。

假设阀杆闭合过程中与轴套的接触刚度不变，提取闭合过程中阀杆与轴套间隙值的时程曲线如图8 所示，由图7、8 可知，阀杆接触压力的改变与渗透值有关，地震载荷会使阀门零件之间的渗透值增加，发生滑动位移时接触之间的压力增大。

图8 阀杆在不同地震载荷下的间隙值

2.3 地震对闭合动作影响分析

为进一步研究各接触之间的接触压力增加对阀门工作的影响，在不改变其他边界条件的基础上， 将位移约束更改为力载荷驱动阀杆运动。在阀杆上端设置1 000～10 000 N 逐渐升高的力载荷推动阀杆向下运动。 该阀门设计所能承受的地震载荷为4g， 为保证阀门可以完成闭合动作，分别施加0g、2g、4g 的地震载荷进行阀门闭合动作模拟，阀杆位移时程曲线如图9 所示。观察图9可知，地震载荷从0g 增加至4g 时，阀杆位移相同闭合距离所需时间从1.0 s 延长至1.4 s，根据2.2节中的结果，地震载荷导致各接触间接触压力增加，阀门闭合需要克服更大的摩擦力。

图9 阀杆位移曲线

综上， 地震载荷对阀门运动过程的影响一方面体现在增加各零件的最大等效应力， 另一方面， 地震载荷会放大各零件之间的渗透值和接触压力。 渗透值影响接触压力， 从而改变克服滑动摩擦力所需驱动力。 在实际生产中，阀门关闭的驱动力基本不会改变， 但关闭阀门所需要克服的摩擦力会因为地震载荷的增加而增加， 这会导致阀门开闭合动作延后， 特别是对于核电阀门这种需要实现快关的阀门， 甚至会导致阀门出现卡滞， 无法及时接通或阻断介质流动。

3 抗震鉴定

本节根据RCC-M 标准［1］分别对阀门在闭合动态过程中与关闭静止状态下进行抗震鉴定，通过对比两种情况的计算结果，探究考虑阀门可运行性分析与传统结构完整性分析时抗震鉴定结果的差异。

3.1 基于可运行性的强度校核

针对核电阀门的阀杆、阀瓣和阀体基于可运行性分析的最大等效应力计算结果见表1， 等效应力云图如图10 所示。 阀门材料的许用应力为133 MPa，由计算结果可知，阀瓣在地震载荷大于等于4g 时超过应力限制， 阀体在地震载荷大于等于5g 时超过应力限制， 阀杆最大等效应力始终小于应力限制。 观察图10 可知，在地震载荷作用下， 阀杆应力主要集中于底部连接阀瓣处，最大值为116.9 MPa； 阀瓣应力主要集中于阀瓣与导轨接触位置，最大值为148.4 MPa；阀体应力主要集中于其内部导轨底端，最大值为149.4 MPa。

表1 基于可运行性分析的最大等效应力表

图10 地震载荷为6g 时阀门基于可运行性的各零件等效应力云图

3.2 结构完整性分析

对闭合状态的阀门进行结构完整性分析，设置与上文相同的边界条件， 删除阀杆的位移约束。 阀杆、阀瓣和阀体最大等效应力计算结果见表2，等效应力云图如图11 所示。 由计算结果可知，阀体在地震载荷6g 时超过应力限制。 观察图11 可知， 阀杆应力主要集中于底部， 最大值为47.9 MPa；阀瓣应力主要集中于上半部分，最大值为88.7 MPa；阀体应力主要集中于阀筋处，最大值为135.8 MPa。

表2 基于结构完整性分析的最大等效应力表

图11 地震载荷为6g 时阀门基于结构完整性的各零件等效应力云图

综上，基于可运行性分析的计算结果与结构完整性分析结果存在明显的差异：抗震薄弱点不同；各零件抗震能力不同。 抗震薄弱点不同的原因是阀门将要闭合时阀瓣与阀体接触面积最小，导致阀瓣与导轨接触部位应力最大。 基于可运行性的抗震鉴定过程更加严苛并且可以完整地观察到阀门等能动机械设备工作过程中的应力变化，静态下的结构完整性分析结果可能会小于实际生产中的校核结果，具有局限性。

4 结束语

笔者建立了DN 80 闸阀的数字模型，采用分析法对阀门可运行性进行评估，揭示地震危害机理，总结了利用分析法对核电阀门进行可运行性鉴定的方法及参数，并对整个闭合过程进行应力校核。 地震对阀门的影响主要体现在阀杆与轴套之间的渗透值增加（产生碰撞现象），放大阀杆与阀瓣处接触压力，延后阀门闭合动作。 在基于分析法对核电阀门进行可运行性评估时，可以考虑将接触压力、间隙尺寸、渗透值及闭合时间等作为评估参数。 在抗震鉴定中，基于可运行性的动态分析结果，比结构完整性评估更加严苛、全面，对保证阀门可靠性、提升核电站安全运行有重要意义。