1．引言

在核電站反應堆系統中，所需閥門產品的數量大、品種多，其中有相當數量的閥門因其功能涉及核反應堆的安全而被定為核安全級閥門。

對于此類核安全級閥門來說，由于考慮到在核電廠運行期間場區所可能遭受的最大地震級，要求當地震發生時，要保證核電廠的運行安全，才能對公眾的健康和安全不造成危害。因此，核安全級閥門在質保、設計、制造和檢查驗收等各個環節上均遠遠高于非核安全級閥門的要求。

根據RCC—M標準，閥門的抗震校核需要計算閥門的最低固有頻率f_c，由此可判斷是否采用靜力等效計算。閥門的固有頻率的計算方法有很多種，例如等效梁法、傳遞矩陣法等，這些方法一般來講都偏安全，不能精確的計算閥門的固有頻率，在設計上造成安全冗余，使制造成本加大。

本文采用了三維有限元計算方法，三維模型來自實際產品的真實設計數據，精度較高。通過采用有限元分析軟件ANSYS進行計算，按閥門裝配體計算，恰當處理各類接觸面，能夠合理解決計算量和精度的矛盾[1]，所得出的閥門前6階固有頻率是閥門抗震計算重要基礎。

2．閥門的主要結構與技術參數

核島平行式雙閘板閘閥(圖1)主要由閥體、閥蓋、閥桿、雙閘板、閥座、連接螺栓等組成。

主要技術參數如下：

安全等級：核三級

抗震類別：Ⅱ類

公稱通徑：100mm

壓力等級：2.2MPa

閥門兩端接管尺寸：Ф114.3mm×3.6mm

連接形式：對焊連接

操作方式：手輪操作

工作溫度：≤200℃

適用介質：含硼水

閥門質量：60.806kg

閥門殼體材料：RCC—M112 20MN5M

3．計算軟件的應用與計算模型簡化

核島平行式閘閥計算分析遵照RCC—M標準，同時根據業主技術規格書要求，采用的ANSYS 11版大型商用數值分析軟件進行計算，它具有比較強的動力分析功能，能夠進行模態分析、瞬態動力分析及靜力學分析等各類動力分析功能。

通過有限元軟件ANSYS計算與模態分析得出閥門前6階固有頻率，證明所設計閥門的第一階基頻固有頻率高于截斷頻率，可應用等效靜力法進行閥門的地震應力分析。

為了提高計算精度，一般要求計算模型應盡量準確地按照閥門的實際幾何結構來建立，由于計算對象結構比較復雜，需要通過建立幾何模型后導入ANSYS生成有限元模型，因此在建立幾何模型時就要考慮到所生成有限元模型的計算效果，如果計算過程中出現問題或不能滿足要求還需要對幾何模型進行反復修正。

鑒于雙閘板閘閥的結構形式非常復雜，我們應用三維CAD軟件建立計算模型，并對所分析問題的非關鍵局部位置進行了簡化，如圖2所示主要包括對閥體、閥蓋、支架和閥桿等結構及螺紋、螺栓連接進行簡化，將螺紋改為固聯接觸，約束為兩接觸面之間無滑動，同時簡化了部分倒角、棱角、尖角等對計算結果影響較小而又極大影響計算收斂速度的因素，計算采用裝配體整體計算，其中有11處接觸面，有限元單元采用實體四面體6節點單元計算。按照RCC—M標準的要求，計算模型的約束為接管處全約束，這樣的簡化是比較保守的。

4．雙閘板閘閥結構的振動特性

在核島輔助系統設備抗震檢驗和分析的基本原則及部件分析準則的抗震分析規格書中，反應譜系理想化的單自由度阻尼振子對其基底輸入某一振動后所產生的最大相應(如加速度等)曲線，對應于地震方向的反應譜，最大地面加速度是相對于地面反應譜的零周期的值，而對所有的阻尼值，在零周期的反應譜加速度是相等的，并等于地面最大加速度。即當高于給定的頻率振子將跟隨支承運動，如圖3中所示的f₀為所給定頻率，通常也稱為截斷頻率，其頻率值約等于33Hz。經過模態分析得到設備的前6階頻率如表1所示。圖4給出了閥門的第一階～第六階模態，分析得知第一二階頻率的振型為純彎曲，第三階頻率的振型為純扭轉，第四、五、六階頻率的振型為彎曲和扭轉的組合，各階振型的最大位移基本上是在閥的頂端。

根據剛性部件定義，其基頻(即最低階的固有頻據)應高于截斷頻率f₀，由模態分析可知所設計的核島平行式雙閘板閘閥的第一階基頻為168.08Hz，遠高于截斷頻率，因此，可應用等效靜力法進行閥門地震應力分析，即使用一組由地震引起的動態載荷模擬靜力載荷，則靜力載荷在結構的所有的點上將產生與由地震引起的應力同樣大的應力。按照核電標準規范可對閥體頸部、閥蓋頸部、中法蘭螺栓截面等危險部位進行計算分析，對于每個有效的計算分析來說，都應計算等效靜力載荷。

5．結論

本文圍繞核安全級核島平行式雙閘板閘閥振動特性計算分析，主要工作和意義在于：

(1)遵照有關核電標準規范的要求，以核島平行式雙閘板閘閥實際產品的設計數據為實例，對設計使用的三維模型進行了恰當的簡化，合理解決了計算量和計算精度的矛盾。

(2)應用ANSYS數值分析軟件，采用有限元分析法計算閥門自振頻率，得出閥門前6階固有頻率是閥門抗震計算的重要基礎。通過數值模擬計算，得最低頻率為168.08Hz，驗證所設計閥門的延伸結構的第一階自振頻率(基頻)>33Hz(一般地震頻率≤33Hz)，滿足剛性部件條件。

(3)閥門最低頻率>33Hz，根據文獻可采用等效靜力法假定地震加速度為ZPA(零周期加速度)并作用在結構中心，進行各個危險截面的抗震計算分析，保證核安全級閥門的閥體和閥蓋頸部、中法蘭螺栓等危險部位的強度和剛度要求，在核電廠運行期間，當遭受最大地震級時，保證其正常的功能與壓力邊界的完整，滿足安全運行要求。

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