闡述了應(yīng)用有限元模型對(duì)核級(jí)電動(dòng)閘閥在地震時(shí)的力學(xué)分析過(guò)程及應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果。

1、概述

　　隨著國(guó)家核電發(fā)展的需要，核電系統(tǒng)配置閥門(mén)的國(guó)產(chǎn)化率也在不斷提高。在閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)核級(jí)閥門(mén)苛刻的工況條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)閥門(mén)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析是其強(qiáng)度校核的方法之一。本文以核級(jí)電動(dòng)閘閥為例，分析了在地震作用下閥門(mén)承受應(yīng)力的能力。

2、校核原理

　　根據(jù)RCC - M 和GB 50267 - 1997 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，核級(jí)電動(dòng)閘閥應(yīng)按照抗震Ⅰ類(lèi)設(shè)備要求進(jìn)行抗震分析，并采用第三強(qiáng)度理論( Tresca) 對(duì)閥門(mén)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。閥門(mén)的承壓邊界主要包括閥體和閥蓋�；�于O 級(jí)準(zhǔn)則計(jì)算方法，閥體和閥蓋可作為一個(gè)整體承受內(nèi)壓產(chǎn)生的載荷。因此，將閘閥的閥體和閥蓋作為一個(gè)整體建立有限元模型，電動(dòng)裝置簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行載荷耦合，并忽略螺栓連接載荷。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)考慮到地震載荷的非對(duì)稱(chēng)性，模型取實(shí)際結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分( 圖1) 。模型用四面體10 節(jié)點(diǎn)單元建立，共有81 358 個(gè)節(jié)點(diǎn)、49 967 個(gè)單元。模型載荷包括設(shè)計(jì)內(nèi)壓( P = 17. 2MPa，作用于閥體和閥蓋的內(nèi)腔上) 、接管載荷和自重。設(shè)備的抗震評(píng)定載荷及工況組合見(jiàn)表1，閥體和閥蓋材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 設(shè)備評(píng)定載荷準(zhǔn)則及工況組合

　　注: 基準(zhǔn)工況為第2 類(lèi)工況所承受的最嚴(yán)重的作用。第2 類(lèi)工況為正常和異常工況。在進(jìn)行第2 類(lèi)工況應(yīng)力評(píng)價(jià)時(shí)使用基準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)分析會(huì)更嚴(yán)格，地震發(fā)生在基準(zhǔn)工況中是一種最危險(xiǎn)的載荷組合。

表2 閥門(mén)主體材料的機(jī)械性能

3、校核過(guò)程

3.1、基準(zhǔn)工況

　　按照基準(zhǔn)工況條件進(jìn)行模態(tài)分析，以了解結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力學(xué)特性。計(jì)算表明，閥門(mén)整體結(jié)構(gòu)的基頻( 第一階) 為180. 78Hz，第二階頻率為247. 85Hz，閥門(mén)整體結(jié)構(gòu)的第一階和第二階振型均表現(xiàn)為閥門(mén)整體的擺動(dòng)( 圖2) 。由于設(shè)備的基頻超過(guò)33Hz 即可認(rèn)為是剛性體，因此閥門(mén)整體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足剛度要求。由此進(jìn)行有限元計(jì)算，根據(jù)閥門(mén)的Tresca 應(yīng)力分布( 圖3) 分析，閥蓋的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤55MPa，閥體的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤90MPa，一次薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度≤100MPa。

圖1 閥門(mén)整體的有限元網(wǎng)格模型

(a) 第一階(b) 第二階

圖2 閥門(mén)振型

3.2、第2 類(lèi)工況

　　按照第2 類(lèi)工況條件( 如果采用基準(zhǔn)工況下的參數(shù)校核更嚴(yán)格) 進(jìn)行有限元計(jì)算，根據(jù)閥門(mén)的Tresca 應(yīng)力分布( 圖4) ，閥體一次和二次應(yīng)力極限≤120MPa。

3.3、地震工況

　　按照地震工況條件進(jìn)行有限元計(jì)算，根據(jù)閥門(mén)的Tresca 應(yīng)力分布( 圖5) 分析，閥蓋的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤60MPa。閥體的總體一次薄膜應(yīng)力極限值≤95MPa，一次薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度≤105MPa，一次和二次應(yīng)力極限≤126MPa。

4、應(yīng)力評(píng)價(jià)

　　經(jīng)過(guò)對(duì)核級(jí)電動(dòng)閘閥的應(yīng)力分析( 表3) ，其強(qiáng)度符合核電系統(tǒng)的要求。

(a) 閥蓋( b) 閥體

圖3 基準(zhǔn)工況下閥門(mén)的應(yīng)力分布

圖4 第2 類(lèi)工況下閥體的應(yīng)力分布

表3 核級(jí)電動(dòng)閘閥的應(yīng)力評(píng)價(jià)

(a) 閥蓋( b) 閥體

圖5 地震工況下閥門(mén)的應(yīng)力分布

5、結(jié)語(yǔ)

　　在校核過(guò)程中，選擇合適的載荷組合及適當(dāng)?shù)男：藴?zhǔn)則是核級(jí)電動(dòng)閘閥校核準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的應(yīng)力校核，核級(jí)電動(dòng)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。