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核級電動閘閥如何分析抗震性?

作者 Admin瀏覽 發布時間 18/07/13

核電閥門做為核電站中重要的安全設備之一,必須能承受核電廠壽命期內的使用載荷和地震載荷,并能保持壓力邊界完整和不喪失功能,因此在設計核級閥門樣機時必須要進行應力計算和抗震分析。 1.閥門簡介 某核二級電動閘閥(型號:NB200Z960Y-100R)安全級別為二級,抗震類型為1A類,其主要設計參數見表1。 表1 閥門固有頻率 模態階數 頻率/Hz 模態振型說明 1 43.66 水平X方向(軸向)的振動 2 63.77 水平Z方向(側向)的振動 3 262.21 垂直Y方向的振動 閥體、閥蓋、閘板材料:SA351MCF8M,200℃下基本許用應力值為132 MPa; 支架材料:CF8制成,200℃下基本許用應力值為133 MPa。 閥體與管道通過焊接連接,閥體通過螺栓M33與閥蓋連接,閥蓋與支架通過螺栓M30連接,電動裝置的重量約為180kg, 其重心坐標(-120,50,1021)。 核二級電動閘閥三維模型 2.振動模態計算 目的:確定第一階固有頻率是大于還是小于33Hz,從而確定是利用等效靜力方法還是動力分析方法來進行后繼計算。 對閥門進出口法蘭的端面進行固定約束,進行模態計算,提取三階固有頻率數,其計 算結果見表1。 閥門前三階模態振型 根據該閥門在中國核動力研究院進行的試驗報告,其測得的前三階固有頻率分別為41.45Hz,56.38Hz,第三階>100Hz,計算基頻與試驗結果基本一致。由于該閥門最低固有頻率都超過33Hz,可視為剛性結構,因此,可用等效靜力分析方法進行抗震分析。 3.抗震分析模型 地震載荷輸入 通常當設備固有頻率大于33HZ時,可采用等效靜力分析方法進行計算,即SSE地震載荷取三方向的加速度值做為地震輸入。這里根據《研制任務書》規定,兩個水平方向作用5g地震加速度值,垂直方向作用3.5g加速度值。 載荷組合與應力限值 抗震分析一般只對第二類和第四類工況進行,第二類工況考慮OBE地震,第四類工況考慮SSE地震。這里為了計算方便和結果保守起見,在進行建模計算和限值評定時,使用最嚴重的載荷組合(即事故工況D級載荷)和最嚴格的應力限值(即A級的應力限值),見表2。因此,如果這種情況下的應力限值得到滿足,則其它工況的計算結果也必小于相應的應力限值,即設計和A、B、C 級工況均可滿足。 本次核閥抗震分析充分考慮設計壓力、設計溫度、設備自重、螺栓預緊力等使用載荷和地震載荷。閥門的設計壓力為6.4Mpa,為計算保守,事故工況下作用壓力取值為1.5倍設計壓力,閥門的設計溫度主要用來確定此溫度下材料的許用應力,而不考慮由于溫度作用產生的熱應力(為二次應力,這里相對由壓力引起的應力來說,數值很小,基本可忽略不計),螺栓預緊力值則根據滿足緊密要求的設計計算獲得,設備自重考慮為在設備施加1g的重力加速度。 表2 載荷組合及所應用的應力限值 工況 載荷組合 應力限值 設計和正常工況 (A級使用限制) 設計壓力 設計溫度 設備自重 其它運行載荷 σm≤1.0S σm(或σL)+σb≤1.5S 事故工況 (D級使用限制) 事故工況下壓力 事故工況下溫度 設備自重 SSE載荷 其它運行載荷 σm≤2.0S σm(或σL)+σb≤2.4S 注:表中的應力限值取自ASME規范第III 篇表NC-3521-1,表中標識符意義如下: σm:總體薄膜應力強度 σb:一次彎曲應力強度 σL:局部薄膜應力 S:最大許用應力值 抗震分析有限元模型 在建模時,在不影響分析結果的前提下對閥門結構部件做一定的簡化。同時考慮到電動裝置的整體剛性很強, 它對閥門的主要作用是施加慣性載荷, 因此在計算中將電動裝置簡化為在其質心處的一個集中質量點, 通過多點約束的形式連接到支架的上端面上。 利用強大的前處理軟件HyperMesh建立三維有限元模型,模型采用SOLID95實體單元和TARGE170、CONTA174接觸單元及PRETS179預緊單元、MASS21質量單元, 一共劃分129627個單元,373086個結點。閥門整體模型各部件之間的聯接主要通過網格節點協調連續、MPC約束、建立接觸對的方法進行處理。 考慮最惡劣的工況承受最不利的載荷組合,計算事故工況(1.5×設計內壓+螺栓預緊力+設備自重+SSE載荷),在閥門進出口法蘭的端面進行固定約束,作用均布壓力為6.4*1.5=9.6MPa,螺栓預緊力值根據設計計算書獲得,SSE地震載荷按照水平方向5g、垂直方向3.5g加速度設置,自重影響只在垂直方向設置為1g加速度。 閥門計算有限元模型 4.承壓邊界計算結果及評定 閥門承壓邊界的分析對象包括閥體、閥蓋,利用ASME規范進行應力強度評定。而對于支架,由于采用不銹鋼塑性材料,為了保守起見,采用第三強度理論進行評定。 閥體、閥蓋應力評定 圖4為閥門整機在內壓、自重、螺栓預緊力和SSE地震載荷組合作用下的應力強度計算結果云圖。選取的閥體、閥蓋薄弱部位的應力評定截面(穿過壁厚的應力評定線)如圖5所示,利用ANSYS后處理器的Path功能計算評定截面的薄膜應力σm和薄膜加彎曲應力σm +σb,最大薄膜應力發生在B-B截面,值為73.64MPa,最大薄膜加彎曲應力也產生在B-B截面,值為113.85MPa,本分析中用應力限值保守地取A級的限值,即σm≤1.0S,σm +σb≤1.5S,S為閥體、閥蓋的許用應力,值為132MPa,薄弱部位的應力評定結果見表3。 圖4 閥門總體應力強度云圖 圖5 應力評定截面示意圖 表3 閥體、閥蓋各薄弱部位的應力評定結果 應力評定線 分析內容 A-A B-B C-C D-D 薄膜應力σm 43.10 73.64 38.85 57.07 薄膜應力限值1.0S 132 132 132 132 膜加彎曲應力σm +σb 97.20(I) 113.85(I) 78.80(I) 97.53(O) 膜加彎應力限值1.5S 198 198 198 198 結論 合格 合格 合格 合格 注:①應力單位均為MPa,I是指壁厚方向的內表面,O是指壁厚方向的外表面。 支架強度校核 在內壓、自重、螺栓預緊力和SSE地震載荷組合作用下,支架的最大應力強度值為112.7 MPa,支架材料為SA-351 CF8M,根據ASME規范第二卷Part D Table 1A查得,其基本許用應力值為138MPa,滿足強度要求。

 
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