核安全级阀门抗震计算分析

1．引言

在核电站反应堆系统中，所需阀门产品的数量大、品种多，其中有相当数量的阀门因其功能涉及核反应堆的安全而被定为核安全级阀门。

对于此类核安全级阀门来说，由于考虑到在核电厂运行期间场区所可能遭受的最大地震级，要求当地震发生时，要保证核电厂的运行安全，才能对公众的健康和安全不造成危害。因此，核安全级阀门在质保、设计、制造和检查验收等各个环节上均远远高于非核安全级阀门的要求。

根据RCC—M标准，阀门的抗震校核需要计算阀门的最低固有频率f_c，由此可判断是否采用静力等效计算。阀门的固有频率的计算方法有很多种，例如等效梁法、传递矩阵法等，这些方法一般来讲都偏安全，不能精确的计算阀门的固有频率，在设计上造成安全冗余，使制造成本加大。

本文采用了三维有限元计算方法，三维模型来自实际产品的真实设计数据，精度较高。通过采用有限元分析软件ANSYS进行计算，按阀门装配体计算，恰当处理各类接触面，能够合理解决计算量和精度的矛盾[1]，所得出的阀门前6阶固有频率是阀门抗震计算重要基础。

2．阀门的主要结构与技术参数

核岛平行式双闸板闸阀(图1)主要由阀体、阀盖、阀杆、双闸板、阀座、连接螺栓等组成。

主要技术参数如下：

安全等级：核三级

抗震类别：Ⅱ类

公称通径：100mm

压力等级：2.2MPa

阀门两端接管尺寸：Ф114.3mm×3.6mm

连接形式：对焊连接

操作方式：手轮操作

工作温度：≤200℃

适用介质：含硼水

阀门质量：60.806kg

阀门壳体材料：RCC—M112 20MN5M

3．计算软件的应用与计算模型简化

核岛平行式闸阀计算分析遵照RCC—M标准，同时根据业主技术规格书要求，采用的ANSYS 11版大型商用数值分析软件进行计算，它具有比较强的动力分析功能，能够进行模态分析、瞬态动力分析及静力学分析等各类动力分析功能。

通过有限元软件ANSYS计算与模态分析得出阀门前6阶固有频率，证明所设计阀门的第一阶基频固有频率高于截断频率，可应用等效静力法进行阀门的地震应力分析。

为了提高计算精度，一般要求计算模型应尽量准确地按照阀门的实际几何结构来建立，由于计算对象结构比较复杂，需要通过建立几何模型后导入ANSYS生成有限元模型，因此在建立几何模型时就要考虑到所生成有限元模型的计算效果，如果计算过程中出现问题或不能满足要求还需要对几何模型进行反复修正。

鉴于双闸板闸阀的结构形式非常复杂，我们应用三维CAD软件建立计算模型，并对所分析问题的非关键局部位置进行了简化，如图2所示主要包括对阀体、阀盖、支架和阀杆等结构及螺纹、螺栓连接进行简化，将螺纹改为固联接触，约束为两接触面之间无滑动，同时简化了部分倒角、棱角、尖角等对计算结果影响较小而又极大影响计算收敛速度的因素，计算采用装配体整体计算，其中有11处接触面，有限元单元采用实体四面体6节点单元计算。按照RCC—M标准的要求，计算模型的约束为接管处全约束，这样的简化是比较保守的。

4．双闸板闸阀结构的振动特性

在核岛辅助系统设备抗震检验和分析的基本原则及部件分析准则的抗震分析规格书中，反应谱系理想化的单自由度阻尼振子对其基底输入某一振动后所产生的最大相应(如加速度等)曲线，对应于地震方向的反应谱，最大地面加速度是相对于地面反应谱的零周期的值，而对所有的阻尼值，在零周期的反应谱加速度是相等的，并等于地面最大加速度。即当高于给定的频率振子将跟随支承运动，如图3中所示的f₀为所给定频率，通常也称为截断频率，其频率值约等于33Hz。经过模态分析得到设备的前6阶频率如表1所示。图4给出了阀门的第一阶～第六阶模态，分析得知第一二阶频率的振型为纯弯曲，第三阶频率的振型为纯扭转，第四、五、六阶频率的振型为弯曲和扭转的组合，各阶振型的最大位移基本上是在阀的顶端。

根据刚性部件定义，其基频(即最低阶的固有频据)应高于截断频率f₀，由模态分析可知所设计的核岛平行式双闸板闸阀的第一阶基频为168.08Hz，远高于截断频率，因此，可应用等效静力法进行阀门地震应力分析，即使用一组由地震引起的动态载荷模拟静力载荷，则静力载荷在结构的所有的点上将产生与由地震引起的应力同样大的应力。按照核电标准规范可对阀体颈部、阀盖颈部、中法兰螺栓截面等危险部位进行计算分析，对于每个有效的计算分析来说，都应计算等效静力载荷。

5．结论

本文围绕核安全级核岛平行式双闸板闸阀振动特性计算分析，主要工作和意义在于：

(1)遵照有关核电标准规范的要求，以核岛平行式双闸板闸阀实际产品的设计数据为实例，对设计使用的三维模型进行了恰当的简化，合理解决了计算量和计算精度的矛盾。

(2)应用ANSYS数值分析软件，采用有限元分析法计算阀门自振频率，得出阀门前6阶固有频率是阀门抗震计算的重要基础。通过数值模拟计算，得最低频率为168.08Hz，验证所设计阀门的延伸结构的第一阶自振频率(基频)>33Hz(一般地震频率≤33Hz)，满足刚性部件条件。

(3)阀门最低频率>33Hz，根据文献可采用等效静力法假定地震加速度为ZPA(零周期加速度)并作用在结构中心，进行各个危险截面的抗震计算分析，保证核安全级阀门的阀体和阀盖颈部、中法兰螺栓等危险部位的强度和刚度要求，在核电厂运行期间，当遭受最大地震级时，保证其正常的功能与压力边界的完整，满足安全运行要求。

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