核2级调节阀的抗震分析及试验研究

    引言
    核岛单座调节阀是核电站中量大面广的水压设备，它的主要功能是以一定的精度保持流量、压力、温度、水位等规定需要调节的参数。调节阀是核电站安全运行的关键附件，设计规范要求对它进行抗震分析，其结果可以用来衡量在经历运行安全地震和安全停堆地震期间或其后，调节阀是否可以按照要求正常工作。
    抗震分析广泛应用于核电厂核级设备的安全评价，如核电站环形吊车、反应堆贮液容器，核电专用桥式起重机等。核安全级阀门同样要求进行抗震分析，张征明，吴莘馨等人对核安全级阀门进行了结构静力学分析，孙英学对核电站稳压器阀门接管进行了应力分析。对于结构比较复杂的设备，一般采用质点模型，但误差较大，文中基于ANSYS有限元分析软件对调节阀的3维实体模型进行抗震分析，结果更为准确。
    目前，抗震分析的方法主要有3种：等效静力法、响应谱法和时间历程法。其中，时间历程法的计算结果最为准确，但是该计算方法比较复杂，计算时间长，而等效静力法与响应谱法计算方法相对简单，同时也能较为准确地反映结构的响应特性。当结构的第1阶固有频率大于33Hz时，可采用等效静力法，该方法比响应谱法计算更为简单，因此应用十分广泛。文中采用等效静力法对调节阀进行抗震分析。
    1 有限元抗震分析
    1.1 有限元分析模型
    在进行有限元分析时，如图1的调节阀结构示意图，其中阀体进出口接管法兰相距210mm，法兰内径25mm，外径124mm，阀门总高538mm，上下膜盖的外圆直径为285mm。对该3维模型进行简化，忽略弹簧，螺栓等小结构，阀体、阀盖、支架和膜盖之间采用刚性连接，采用10节点、solid92单元对简化模型进行网格划分，单元数为273473，节点数为52161。支架、阀盖和阀体的材料分别为ZG230－450、P280GH和20M5M，在260℃下的许用应力S分别取117.5MPa、117.5MPa和112.5MPa，取弹性模量为2.0×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7900kg/m3。

    1.2 载荷施加、约束条件及求解
    对调节阀阀体接管两端施加全位移约束，采用BlockLanczos求解法提取3阶模态。
    在进行抗震分析时，采用等效静力法，施加载荷包括自重、内压和地震载荷，分别计算在SL1地震下调节阀开启和关闭状态下调节阀的地震响应，以及调节阀在SL2地震载荷下调节阀开启状态下的地震响应，
    其中SL1地震载荷下的最大加速度为3.3g，SL2地震载荷下的最大加速度为5g。
    1.3 固有频率结果分析
    有限元模态分析得到第1阶固有频率为49Hz，振型为垂直于流道方向摆动，第2阶固有频率为61Hz，振型为沿流道方向摆动；第3阶固有频率为198Hz，振型为绕竖直中心轴扭转。从3个方向的1阶固有频率可以看出，垂直于流道方向的整体刚度最小，这是与调节阀自身的结构特性，各部件的质量与大小分布有关的。
    1.4 抗震计算结果分析
    SL1地震下调节阀开启和关闭状态时的应力分布图如图2（a）与2（b）以及在SL2地震载荷下调节阀开启状态时的应力分布图如2（c）所示，应力值保守采用RCCMB级准则校核。

    从图2（a），2（b）和2（c）可以看出，支架的拐角处，阀盖－法兰连接弯角处以及阀体中腔部分为应力值较大区域。如图2（a）所示的应力分布图，支架拐角处的应力最大值为9.95MPa，阀盖－法兰连接的弯角处应力最大值为14.6MPa，阀体中腔的应力最大值为22.1MPa。如图2（b）所示，支架拐角处的应力最大值为9.46MPa，阀盖－法兰连接的弯角处应力最大值为14.2MPa，阀腔处的最大应力值为28.4MPa。如图2（c）所示支架拐角处的应力最大值为16.6MPa，阀盖－法兰连接的弯角处应力最大值为22.1MPa，阀腔处的最大应力值为49.6MPa。支架拐角处的最大应力是由于结构不连续造成的，属于应力集中，它的最大应力远小于结构的许用应力。在调节阀关闭时，阀盖－法兰连接处的最大应力也是因为结构不连续造成的，但是在调节阀开启时，由于阀盖内部存在内压，因此其应力最大值是由于结构不连续和内压共同作用造成的，阀体中腔的最大应力是由于阀腔内部的内压所造成的，阀体和阀盖的最大应力均远小于许用应力值126.8MPa。
    2 调节阀抗震试验
    2.1 调节阀的安装、试验设备及测点布置
    本试验在中国核动力设计院的电动振动台上进行，将调节阀安装在振动台夹紧装置上，保证调节阀的三正交轴与激振轴在同一条直线上，试验系统示意图如图1所示。
    试验采用电荷式加速度传感器和电荷放大器测量台面和调节阀上的加速度，应变测量采用5×3mm泊式应变计和MCC－16型动态应变仪，数据采集用DEWE2010型数据采集仪。
    试验中分别在调节阀重心（a#）、振动台台面（b#）和顶部（c#）各布置一个加速度传感器，并且在调节阀薄弱部位（支架弯角1#、阀体中腔2#和阀盖－中法兰连接弯角处3#）布置3个应变计来测量其在地震过程中的应变响应。
    2.2 实验内容
    首先对调节阀做动态特性探测试验，分别在调节阀3个正交轴向施加不大于0.2g的正弦扫描信号，扫描频率范围为5～250Hz，扫描速度为倍频/分，探测出设备各向的基阶固有频率和阻尼。
    按照《核设备抗震鉴定试验指南》的规定，可采用2次正弦扫描试验代替5次SL1地震试验，第1次扫频时调节阀处于开启状态，第2次扫频时调节阀处于关闭状态。试验在调节阀的3个正交轴向各进行2次，扫描速度不大于1倍频/分，扫描频率范围为3Hz～35Hz，每次扫描后改变调节阀的开关状态，试验中保持工作压力为4.16MPa。在每次SL1地震过程中测量各监测点的加速度响应和应变响应。
    SL1试验后分别在调节阀的3个正交轴向进行1次SL2试验。试验频率在3.18Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.6Hz、16Hz、20Hz、25.2Hz、32Hz处进行，每个频率施加5个以上连续正弦拍波，每个拍波的每个拍中含有12～15个周波，每个拍波之间有2s间隙，拍波的数量由每个频率处的拍波试验时间不小于15s来决定。调节阀在保持工作压力为4.16MPa下连续在20%～80%行程之间运行1次循环操作，在每次SL2地震过程中测量各监测点的加速度响应和应变响应。

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    3 有限元结果与实验结果对比及分析
    动态特性测量结果为：调节阀在X方向（垂直于流道方向）第1阶固有频率为47.0Hz，阻尼比为2.94%；在Y（流道方向）方向第1阶固有频率为58.8Hz，阻尼比为4.93%；在Z向（竖直方向）的第1阶固有频率为189.5Hz，阻尼比为0.46%，各方向1阶固有频率均大于33Hz，因此可以认为该调节阀具有足够的刚性。从表1中比较可以看出，前3阶固有频率的误差均小于5%。

    在SL1地震试验中测得各测点的加速度，8Hz以上频率下重心处加速度响应幅值在三正交轴向均大于3.3g，满足抗震鉴定的输入要求。另外，还测得各测点三正交轴向的应力值，从而可以计算出各测点的总应力，列于表2中，通过数据对比分析得出，计算值与试验值的误差均小于5%。

    在SL2地震试验中测得各点三正交轴向的加速度和应力最大值。从图3中可以看出，频率为8Hz以上的重心处加速度幅值均能包络地震鉴定要求输入的加速度幅值。

    根据表3中数据分析得出，在SL2地震下，调节阀中1#、2#和3#应变测点最大总应力分别为15.21MPa，48.37MPa和24.25MPa，计算值与试验值的误差均小于10%，这是由于实验测得是调节阀在20%到80%行程中的应力值，而在有限元分析时采用的是调节阀全部开启下的模型，因此这个误差值大于SL1下的误差值。

    4 结论
    文中对调节阀进行有限元模态分析，得到调节阀的前3阶固有频率分别为49Hz、61Hz和198Hz，与动态特性探测试验结果进行对比，误差小于5%，调节阀的各阶频率均大于33Hz，因此可以认为调节阀具有较强的刚度。
    对调节阀进行有限元抗震分析，分析了调节阀在开启和关闭状态时SL1下的抗震特性，并分析了调节阀在开启状态时SL2下的抗震特性，找出了在地震载荷作用下调节阀受力的薄弱部位，主要有支架拐角、阀盖－中法兰连接的弯角处和阀体中腔，应力值按照RCCMB级准则校核，校核结果满足准则要求，因此可以认为调节阀具有足够的抗震刚度。
    有限元分析结果与试验值进行比较，在SL1下应力值的误差小于5%，而SL2下的误差大小于10%，这是由于在进行SL2下的有限元分析时保守地采用了比较简单的调节阀全开模型，而在试验中测得了调节阀开度在20%～80%下的应力值。
    采用ANSYS对调节阀进行模态分析和抗震分析，误差在允许范围内，说明利用ANSYS进行模态分析与抗震分析是可行的，文中结果对调节阀的设计、制造与鉴定具有重要意义。