1．引言

在核電站反應(yīng)堆系統(tǒng)中，所需閥門產(chǎn)品的數(shù)量大、品種多，其中有相當(dāng)數(shù)量的閥門因其功能涉及核反應(yīng)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(yùn)行期間場區(qū)所可能遭受的最大地震級，要求當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，要保證核電廠的運(yùn)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(zhì)保、設(shè)計(jì)、制造和檢查驗(yàn)收等各個環(huán)節(jié)上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非核安全級閥門的要求。

根據(jù)RCC—M標(biāo)準(zhǔn)，閥門的抗震校核需要計(jì)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(jì)算。閥門的固有頻率的計(jì)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(jì)算閥門的固有頻率，在設(shè)計(jì)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(jì)算方法，三維模型來自實(shí)際產(chǎn)品的真實(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，精度較高。通過采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，按閥門裝配體計(jì)算，恰當(dāng)處理各類接觸面，能夠合理解決計(jì)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(jì)算重要基礎(chǔ)。

2．閥門的主要結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

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(shù)參數(shù)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(zhì)：含硼水

閥門質(zhì)量：60.806kg

閥門殼體材料：RCC—M112 20MN5M

3．計(jì)算軟件的應(yīng)用與計(jì)算模型簡化

核島平行式閘閥計(jì)算分析遵照RCC—M標(biāo)準(zhǔn)，同時根據(jù)業(yè)主技術(shù)規(guī)格書要求，采用的ANSYS 11版大型商用數(shù)值分析軟件進(jìn)行計(jì)算，它具有比較強(qiáng)的動力分析功能，能夠進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)動力分析及靜力學(xué)分析等各類動力分析功能。

通過有限元軟件ANSYS計(jì)算與模態(tài)分析得出閥門前6階固有頻率，證明所設(shè)計(jì)閥門的第一階基頻固有頻率高于截斷頻率，可應(yīng)用等效靜力法進(jìn)行閥門的地震應(yīng)力分析。

為了提高計(jì)算精度，一般要求計(jì)算模型應(yīng)盡量準(zhǔn)確地按照閥門的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)來建立，由于計(jì)算對象結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要通過建立幾何模型后導(dǎo)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(jì)算效果，如果計(jì)算過程中出現(xiàn)問題或不能滿足要求還需要對幾何模型進(jìn)行反復(fù)修正。

鑒于雙閘板閘閥的結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，我們應(yīng)用三維CAD軟件建立計(jì)算模型，并對所分析問題的非關(guān)鍵局部位置進(jìn)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(jié)構(gòu)及螺紋、螺栓連接進(jìn)行簡化，將螺紋改為固聯(lián)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(jì)算結(jié)果影響較小而又極大影響計(jì)算收斂速度的因素，計(jì)算采用裝配體整體計(jì)算，其中有11處接觸面，有限元單元采用實(shí)體四面體6節(jié)點(diǎn)單元計(jì)算。按照RCC—M標(biāo)準(zhǔn)的要求，計(jì)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(jié)構(gòu)的振動特性

在核島輔助系統(tǒng)設(shè)備抗震檢驗(yàn)和分析的基本原則及部件分析準(zhǔn)則的抗震分析規(guī)格書中，反應(yīng)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(chǎn)生的最大相應(yīng)(如加速度等)曲線，對應(yīng)于地震方向的反應(yīng)譜，最大地面加速度是相對于地面反應(yīng)譜的零周期的值，而對所有的阻尼值，在零周期的反應(yīng)譜加速度是相等的，并等于地面最大加速度。即當(dāng)高于給定的頻率振子將跟隨支承運(yùn)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(jīng)過模態(tài)分析得到設(shè)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(tài)，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(zhuǎn)，第四、五、六階頻率的振型為彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合，各階振型的最大位移基本上是在閥的頂端。

根據(jù)剛性部件定義，其基頻(即最低階的固有頻據(jù))應(yīng)高于截斷頻率f₀，由模態(tài)分析可知所設(shè)計(jì)的核島平行式雙閘板閘閥的第一階基頻為168.08Hz，遠(yuǎn)高于截斷頻率，因此，可應(yīng)用等效靜力法進(jìn)行閥門地震應(yīng)力分析，即使用一組由地震引起的動態(tài)載荷模擬靜力載荷，則靜力載荷在結(jié)構(gòu)的所有的點(diǎn)上將產(chǎn)生與由地震引起的應(yīng)力同樣大的應(yīng)力。按照核電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可對閥體頸部、閥蓋頸部、中法蘭螺栓截面等危險部位進(jìn)行計(jì)算分析，對于每個有效的計(jì)算分析來說，都應(yīng)計(jì)算等效靜力載荷。

5．結(jié)論

本文圍繞核安全級核島平行式雙閘板閘閥振動特性計(jì)算分析，主要工作和意義在于：

(1)遵照有關(guān)核電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，以核島平行式雙閘板閘閥實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為實(shí)例，對設(shè)計(jì)使用的三維模型進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)暮喕侠斫鉀Q了計(jì)算量和計(jì)算精度的矛盾。

(2)應(yīng)用ANSYS數(shù)值分析軟件，采用有限元分析法計(jì)算閥門自振頻率，得出閥門前6階固有頻率是閥門抗震計(jì)算的重要基礎(chǔ)。通過數(shù)值模擬計(jì)算，得最低頻率為168.08Hz，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)閥門的延伸結(jié)構(gòu)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(jù)文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)中心，進(jìn)行各個危險截面的抗震計(jì)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(qiáng)度和剛度要求，在核電廠運(yùn)行期間，當(dāng)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(yùn)行要求。

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