闡述了應用有限元模型對核級電動閘閥在地震時的力學分析過程及應力評價結果。

1、概述

　　隨著國家核電發展的需要，核電系統配置閥門的國產化率也在不斷提高。在閥門設計過程中，針對核級閥門苛刻的工況條件，應用計算機對閥門進行有限元應力分析是其強度校核的方法之一。本文以核級電動閘閥為例，分析了在地震作用下閥門承受應力的能力。

2、校核原理

　　根據RCC - M 和GB 50267 - 1997 等相關標準和規范要求，核級電動閘閥應按照抗震Ⅰ類設備要求進行抗震分析，并采用第三強度理論( Tresca) 對閥門進行力學計算。閥門的承壓邊界主要包括閥體和閥蓋。基于O 級準則計算方法，閥體和閥蓋可作為一個整體承受內壓產生的載荷。因此，將閘閥的閥體和閥蓋作為一個整體建立有限元模型，電動裝置簡化為質點進行載荷耦合，并忽略螺栓連接載荷。真空技術網(http://m.203scouts.com/)考慮到地震載荷的非對稱性，模型取實際結構的三維模型進行網格劃分( 圖1) 。模型用四面體10 節點單元建立，共有81 358 個節點、49 967 個單元。模型載荷包括設計內壓( P = 17. 2MPa，作用于閥體和閥蓋的內腔上) 、接管載荷和自重。設備的抗震評定載荷及工況組合見表1，閥體和閥蓋材料的力學性能見表2。

表1 設備評定載荷準則及工況組合

　　注: 基準工況為第2 類工況所承受的最嚴重的作用。第2 類工況為正常和異常工況。在進行第2 類工況應力評價時使用基準工況數據分析會更嚴格，地震發生在基準工況中是一種最危險的載荷組合。

表2 閥門主體材料的機械性能

3、校核過程

3.1、基準工況

　　按照基準工況條件進行模態分析，以了解結構的整體動力學特性。計算表明，閥門整體結構的基頻( 第一階) 為180. 78Hz，第二階頻率為247. 85Hz，閥門整體結構的第一階和第二階振型均表現為閥門整體的擺動( 圖2) 。由于設備的基頻超過33Hz 即可認為是剛性體，因此閥門整體結構滿足剛度要求。由此進行有限元計算，根據閥門的Tresca 應力分布( 圖3) 分析，閥蓋的總體一次薄膜應力極限值≤55MPa，閥體的總體一次薄膜應力極限值≤90MPa，一次薄膜加彎曲應力強度≤100MPa。

圖1 閥門整體的有限元網格模型

(a) 第一階(b) 第二階

圖2 閥門振型

3.2、第2 類工況

　　按照第2 類工況條件( 如果采用基準工況下的參數校核更嚴格) 進行有限元計算，根據閥門的Tresca 應力分布( 圖4) ，閥體一次和二次應力極限≤120MPa。

3.3、地震工況

　　按照地震工況條件進行有限元計算，根據閥門的Tresca 應力分布( 圖5) 分析，閥蓋的總體一次薄膜應力極限值≤60MPa。閥體的總體一次薄膜應力極限值≤95MPa，一次薄膜加彎曲應力強度≤105MPa，一次和二次應力極限≤126MPa。

4、應力評價

　　經過對核級電動閘閥的應力分析( 表3) ，其強度符合核電系統的要求。

(a) 閥蓋( b) 閥體

圖3 基準工況下閥門的應力分布

圖4 第2 類工況下閥體的應力分布

表3 核級電動閘閥的應力評價

(a) 閥蓋( b) 閥體

圖5 地震工況下閥門的應力分布

5、結語

　　在校核過程中，選擇合適的載荷組合及適當的校核準則是核級電動閘閥校核準確性的關鍵。經過嚴格的應力校核，核級電動閘閥在地震工況下可保證安全性、可靠性及壓力邊界完整性。