常规岛汽机旁路调节阀抗震性能研究

张浩然 蒋晓红 冯 浩 尹会全 王宜雪 李树勋

（1.中广核工程有限公司；2.重庆川仪调节阀有限公司；3.兰州理工大学石油化工学院）

常规岛汽机旁路调节阀的正常运行关系到整个核电机组能否安全运行。 由于地震频率一般在0.2～33 Hz范围内，若汽机旁路调节阀的基频在此区间内， 调节阀系统易在地震期间引起共振，导致调节阀与连接的管道在承受地震载荷时整体结构易受到破坏，进而影响调节阀的结构强度性能［1］。因此，为保证汽机旁路调节阀能够安全可靠运行，必须对其进行抗震性能分析。 国内外学者在抗震性能分析方面已做了许多研究。 刘平等采用有限元分析方法对核级大口径电动闸阀的抗震性能进行了研究［2］。 沈伟等应用ANSYS计算某核级主蒸汽安全阀在地震载荷及设计载荷组合作用下的应力和变形情况［3］。MENG F等对安全阀和弹簧进行频率响应分析，预测地震荷载作用下的抗震能力［4］。 LI Z H等从固有频率、振型、位移及应力等方面研究了有基础隔震系统和无基础隔震系统的连续刚构桥的抗震性能［5］。 SHEN Z R等研究了加强筋高度和钢管轴压比对法兰连接抗震性能的影响［6］。 AN Y T等利用有限元软件对大型混合气体压力控制阀进行了抗震分析［7］。很少有人对汽机旁路调节阀这一特殊阀门类型的抗震性能进行分析研究。

笔者使用ANSYS软件中静力学模块，采用等效静力法对DN 300 Class900汽机旁路阀在自重、内压及地震载荷下的受力状态进行了抗震分析计算，并对受力作用的部件进行应力评定和强度校核，保证调节阀结构强度满足抗震要求。

1 汽机旁路阀工况参数及性能参数

DN 300 Class900汽机旁路调节阀设计及工况参数如下：

公称通径 DN 300

压力等级 Class900

介质蒸汽工作温度 284.4 ℃/303.3 ℃

连接形式 BW/RF

DN 300 Class900汽机旁路调节阀主要零部件材料物理性能参数和设计温度下力学性能参数见表1、2。

表1 主要金属部件材料物理性能参数

表2 主要金属部件材料设计温度下的力学性能参数

2 抗震相关理论

当调节阀的基频大于33 Hz时， 基于等效静力法在ANSYS软件中使用静力学模块进行抗震分析。 假设设备是刚性并在质心位置受到一个恒定均匀的等效加速度作用［8］。 则设备受到的地震输入能被简化成一个等效静力作用，等效静力计算公式如下：

式中 F——作用在旁路阀质心上的地震力，N；

G——旁路阀的总重力， 包括相关附件的自重，N；

g——重力加速度，m/s2；

Sa——设备受到地震作用的峰值加速度，m/s2；

η——影响系数，常取1.5。

3 数值仿真计算

3.1 汽机旁路阀模型建立

笔者所研究的汽机旁路阀几何模型如图1所示。

图1 汽机旁路阀几何模型主视图和剖视图

3.2 网格划分与网格无关性检验

对汽机旁路阀几何模型进行网格划分。 综合考虑网格数量、网格质量对计算精度和计算成本的影响，通过不断细化网格以保证相邻网格密度之间具有较小的数值分析误差。 对旁路阀结构进行网格无关性检验，结果列于表3。

表3 网格无关性验证

根据表3所列结果， 最终确定以网格单元数645 921， 网格节点数1 402 665的模型作为汽机旁路阀有限元分析的网格模型，具体如图2所示。

图2 汽机旁路阀网格模型主视图和剖视图

3.3 载荷及边界条件

根据汽机旁路调节阀的实际工况， 对其进、出口端面施加固定约束；对调节阀施加g=9.8 m/s2的重力加速度；对阀体与介质接触表面施加设计压力15 MPa；分析时，ASME QME-1《核电厂能动机械设备鉴定》 中QR-6300要求沿阀门水平方向和竖直方向分别加载6g（g=9.8 m/s2）的静态当量地震载荷；根据阀门中法兰密封设计中对法兰螺栓力的计算，对每个中法兰螺栓施加预紧力192 308 N。

4 结果分析

4.1 模态分析结果

通过ANSYS 软件中Modal 模块对DN 300 Class900汽机旁路阀进行模态分析， 由计算知，DN 300 Class900汽机旁路阀的前6阶模态自振频率见表4，模态振型如图3所示。

图3 前6阶模态振型

表4 DN 300 Class900汽机旁路阀前6阶自振频率

由模态分析结果可知，DN 300 Class900汽机旁路阀的基频为93.06 Hz， 大于地震截断频率值（33 Hz），在阀门、驱动装置承受地震载荷时整体结构不会发生共振，满足核电阀门的刚性结构要求，故可基于等效静力法对汽机旁路阀进行抗震分析。

4.2 抗震分析结果

4.2.1 整体应力分析通过有限元计算分析， 得到汽机旁路阀在载荷作用下整体外部和内部的应力和变形分布云图（图4、5）。由图4可知，DN 300 Class900汽机旁路阀最大应力值为251.42 MPa， 最大应力分布在中法兰螺栓表面，在阀体内表面结构过渡处应力偏大，其他区域应力值相对较小。 在极大应力位置处进行应力评定， 对于应力较小且满足强度要求的部位不评定。 由图5可知，阀塞部件、阀座部件和迷宫部 件 应 力 分 布 较 均 匀。 由 图4、5 可 知，DN 300 Class900汽机旁路阀整体的变形从支架底部到驱动装置顶端逐渐增大，且过渡较均匀，阀门整体最 大变形0.58 mm，分布在驱动装置防水帽顶端。

图4 阀门整体外部应力和变形分布云图

图5 阀门整体内部应力和变形分布云图

4.2.2 阀体应力分析

结合阀门整体应力分析结果和图6可知，阀体最大应力分布在阀体内部结构不连续处，最大应力值为141.86 MPa，大于阀体材料WC9的许用应力值133 MPa，需对超应力部位进行应力强度评定， 以保证阀门在地震载荷下满足强度要求。

阀体局部超应力部位出现在内部的结构不连续处，根据ASME BPVC-Ⅲ《核设施部件建造规则 第一册 NB分卷》 中NB-200与N-3500中的相关判定标准进行应力强度评定。 图7为阀体最大应力处的线性化评定图，对由点1至点2路径进行应力评定，等效线性化评定线如图8所示，弯曲应力自中向两侧逐渐增大，且呈对称变化，内外壁的应力值最大，为64.47 MPa；薄膜应力沿厚度方向均匀分布，为56.14 MPa；薄膜加弯曲应力在阀体内壁面处有最大值，为119.20 MPa。应力评定结果均满足要求（表5）。 表中S为阀体材料WC9的许用应力，其值为133 MPa。

图7 最大应力处等效应力线性化云图

图8 阀体最大应力处等效应力线性化评定数据图

表5 阀体应力强度评定结果

4.2.3 阀盖应力分析

结合阀门整体应力分析结果和图9可知， 阀盖螺栓孔区域应力相对较大，最大应力值121.88 MPa，小于阀盖材料WC9的许用应力值133 MPa， 满足强度要求。

图9 阀盖应力分布云图

4.2.4 阀杆应力分析

结合阀门整体应力分析结果和图10可知，阀杆上端与夹块连接部位应力相对较小，最大应力值为33.02 MPa，分布于阀杆上端与填料压盖接触部位， 小于阀杆材料660的许用应力值248 MPa，满足强度要求。

图10 阀杆应力分布云图

4.2.5 中法兰螺栓应力分析

旁路阀中法兰螺栓拉应力和剪应力分析结果分别如图11、12所示， 最大拉应力与最大剪应力均分布在与阀盖接触的表面位置，最大拉应力值为265.56 MPa，最大剪应力值为18.48 MPa。

图11 中法兰螺栓拉应力分布云图

图12 中法兰螺栓剪应力分布云图

按照ASME标准规定， 螺栓拉应力不超过0.7Su和Sy中的较小值，螺栓剪应力不超过0.42Su和0.6Sy中的较小值。 对于承受剪力和拉伸组合的载荷的螺栓，具体评定内容见表6。

表6 中法兰螺栓应力强度评定结果

4.2.6 支架应力分析

结合阀门整体应力分析结果和图13可知，支架下缸盖部分应力相对较小，支架最大应力值为73.24 MPa， 分布在防转杆限位平板顶部位置，小于支架材料WCB的许用应力值129 MPa， 满足强度要求。

图13 支架应力分布云图

5 结论

5.1 对DN 300 Class900汽机旁路阀进行模态分析， 计算得到阀门第1阶自振频率为93.06 Hz，大于地震截止频率33 Hz，可认为是刚性结构，在地震发生时阀门和驱动装置整体结构不会发生共振，满足抗震设计要求。

5.2 对DN 300 Class900汽机旁路阀进行抗震分析，计算得到阀门的整体最大应力为251.42 MPa，计算所得最大变形量为0.58 mm。 根据ASME标准对承压边界部件进行应力评定和强度校核，阀体、 阀盖、 阀杆、 支架最大应力分别为141.86、121.88、33.02、73.24 MPa，中法兰螺栓最大拉应力为265.56 MPa，最大剪应力为18.48 MPa，均满足抗震强度要求。

5.3 根据以上分析计算， 得出DN 300 Class900汽机旁路阀为刚性结构且满足抗震强度要求。