介紹了安全閥抗震分析的一般步驟。利用ANSYS 軟件計算了核安全級彈簧式安全閥在地震工況下的三維應力分布, 根據ASM E鍋爐和壓力容器規范進行了完整性評定。

1、概述

　　核安全級安全閥是核電站中重要的安全設備之一, 用以防止系統壓力超過允許的極限, 確保系統安全運行。隨著第三代核電站的建設, 對核安全級安全閥的設計和制造提出了更高要求。安全閥必須能夠承受包括地震載荷在內的組合載荷, 并且不會發生破壞或失穩, 從而滿足結構完整性和功能要求。隨著計算機仿真技術的快速發展, 利用有限元軟件構建閥門三維模型, 進行各種工況下的結構完整性分析技術已經日趨成熟, 并已經得到了廣泛的應用。本文以某型號核安全二級彈簧式安全閥為例, 利用ANSYS 11.0軟件進行了安全閥的模態頻率計算和應力分析, 并根據ASME鍋爐和壓力容器規范對安全閥在地震工況下的結構完整性進行了應力評定。

2、分析方法

　　為了保證安全閥在使用期限內能夠安全運行,必須進行抗震分析, 檢驗閥門各部位是否有足夠的強度和剛度。一般考慮運行基準地震(Operating Basis Earthquake, OBE ) 和安全停堆地震( Safe Shutdown Earthquake, SSE) 兩類地震載荷。

　　抗震分析一般可分為建立模型(合理簡化安全閥結構部件, 建立能準確反映其動力特性的有限元模型) 、頻率計算(計算安全閥的自振頻率, 如果該閥門最低自振頻率大于33Hz, 則在應力計算時可采用等效靜力法。如果小于33Hz, 則必須采用動力法) 、應力計算(根據相關標準及閥門實際工況, 確定邊界條件及載荷組合。利用有限元軟件進行各種工況下安全閥的應力分析, 特別是關鍵(或危險) 位置處的應力分布) 和安全評定(對閥門關鍵部位的應力, 按照不同的使用等級進行應力分類和組合, 再按照對應的應力限值進行應力評定, 同時確定閥門是否滿足最大變形限制) 4步。根據應力評定結果, 即可判斷出該安全閥能否在地震工況下安全運行。

3、有限元模型

3.1、參數

　　安全閥的等級為核安全二級, 設計壓力為4.0MPa, 二次側設計壓力為1.5MPa, 設計溫度為200℃。閥體、閥座和閥蓋材料均為SA - 182MF304, 螺栓材料為SA - 193M B7。根據ASMEBPVC IID分卷, 200℃下的兩種材料的許用應力S分別為116MPa 和170MPa。材料彈性模量E =210GPa, 泊松比v = 0.3, 密度ρ= 7 800kg/m³。

3.2、建模

　　考慮到安全閥結構復雜, 為便于分析, 采取在ANSYS中直接建模的方式。閥體模型的建立除忽略不相關的微小幾何特征(均在遠離結構突變的區域) , 其他形狀和尺寸均與設計圖紙一致。

圖1　安全閥三維有限元模型

　　考慮到閥體物理形狀、材料、載荷等都具有對稱性, 沿對稱面截取一半有限元模型進行計算。這樣做既可縮短分析求解時間, 提高運算速度, 又可將單元可劃分更細, 計算結果更精確。

　　模型采用結構單元Solid95。使用ANSYS軟件的智能網格劃分( Smart Size) 工具, 根據閥體模型的形狀和尺寸, 及所設置的精度級別, 自動選擇合適的網格密度進行劃分。一共劃分了66 373個單元(圖1) 。

　　螺母與法蘭之間的相互作用采用面接觸單元Conta174和Targe169 單元的接觸對模擬, 忽略螺栓孔與螺栓之間、墊片與螺母之間的相互關系, 螺母與法蘭之間的摩擦系數為0.3。螺栓的預緊力采用Prets179單元模擬, Ansys在已分網格的相應位置上建立預緊單元。

3.3、載荷及邊界條件

　　根據安全閥的實際工作情況, 在進出口法蘭處取固定邊界約束, 在對稱面上施加位移對稱邊界約束。抗震分析考慮的載荷主要包括內壓、地震、自重、預緊力和接管載荷等。考慮SSE地震工況(即設計壓力+二次側壓力+ SSE地震+自重+螺栓預緊力+接管載荷) , 則SSE地震加速度按照水平方向5g、垂直方向3.5g設置。求解時采取3個載荷步。第1步中施加預緊力, 計算預緊力單獨作用下的結果作為初始狀態。第二步鎖定因預緊載荷引起的預緊節點位移, 并在以后的載荷步中保持不變, 這就真實地模擬了螺栓預緊后的情況。第三步施加各種載荷, 計算閥門應力分布。

4、應力分析及評定

4.1、頻率分析

　　首先計算安全閥在兩種不同約束條件下的自振頻率。先考慮約束進口法蘭情況下, 計算得到該安全閥第一階自振頻率為73.5Hz (圖2a) 。與該閥進行抗震試驗時所測的最低自振頻率79.7Hz較接近, 驗證了本文有限元分析模型的可靠性。接著計算安全閥在現場實際運行時, 即同時約束進出口法蘭情況下的自振頻率, 該閥第一階自振頻率為395.27 Hz (圖2b) 。兩種約束情況下安全閥第一階自振頻率均大于33Hz, 因此可采用等效靜力法進行應力計算。

 (a) 自振頻率為73.5Hz　(b) 自振頻率為395.27Hz

圖2　安全閥第一階頻率模型振型

4.2、應力計算

　　根據ASME標準, 對不同性質的應力, 按照不同的限制條件進行分析。首先根據應力分布確定典型的危險截面進行評定, 然后選取內外壁相對的兩個節點設置路徑, Ansys自動將應力值進行均勻化和當量線性化分類處理, 然后根據相應限值進行分類評定。應力限值取A 級, 即σm < 1.0s, σm +σb< 1.5s。安全閥進口頸、出口頸、閥體焊接處、進出口法蘭為重點關注的危險區域, 表1中列出了這5處詳細的應力計算結果。根據分析結果可知, 安全閥在地震工況下的應力值均小于對應限值, 并有一定的安全裕度, 因此該型號安全閥滿足抗震要求。

表1　安全閥主要部件應力計算損傷定位測試樣本

5、結語

　　通過有限元軟件進行抗震分析, 可全面直觀地了解安全閥的應力變形分布情況, 為核安全級閥門的設計提供可靠的參考依據, 將進一步提高核安全級閥門結構設計水平。本文只是進行了靜力分析,要詳細分析閥門在地震譜作用下的應力變化過程,還需進行響應譜分析。