核级阀门强度计算方法的研究

    在核级阀门的设计计算中，需要遵守ASME、RCCM等法规。ASME ⅢNB分卷提供了详细的核级阀门的强度计算公式，如果按照全部公式（NB-3500） 进行计算并且计算合格，其阀门的设计结果是可以被接受的。随着计算机技术的发展，使用有限元应力分析的方法对阀门强度进行计算成为一种新的计算方法。本文以某核一级闸阀为例，分别使用两种计算方法进行计算，同时对计算结果进行对比分析。

    2 仿真分析

    将闸阀全部零件进行立体建模，并确定每个零件的密度以得到阀门的精确质量。在进行应力分析时，如果在阀体的一端施加固定约束，而端部应力得不到有效释放，将在阀体端面位置产生应力奇异，最大应力可达2000MPa，这显然与现实情况相违背。根据相关经验及规定，可以在阀体进口处增加一过渡管（过渡管长度为入口管径的2～5倍），在过渡管入口施加固定约束，使应力奇异发生在管道入口。而评价分析结论时，只考核阀门的受力情况，忽略过渡管入口上出现的误导结论。这样可以真实模拟阀体的受力情况，得出相对准确的应力分析值。在ASME 法规中，着重关注阀门承压边界的受力情况。因此，只取阀体、阀盖和过渡管组成的装配体为研究对象（ 图1）。在阀体右侧的中腔与支管交界位置，根据经验划分出3条阀体的应力评定线。同时将模型转化到ANSYSWorkbench软件中。

图1 建立阀门应力分析模型

    在ANSYS软件中，对阀体、阀盖、过渡管赋予材料属性，对支架、过渡头和执行机构等省略掉的零件以一个有质量的点代替，并选择阀体与阀盖相接触的表面作为支撑质量点位置的平面。分别选取过渡管与阀体、阀体与阀盖相接触的表面为零件间的接触面，选择约束类型为bonded绑定约束。对模型进行网格划分处理，同时进行网格收敛性验证。设定热应力分析参数，选择过渡管、阀体和阀盖中与介质相接触的表面设定设计温度，选择阀体的外表面确定对流换热系数。

    选择过渡管、阀体和阀盖中与介质相接处的内腔表面设定介质压力，选择过渡管左端面确定阀门的固定约束载荷，选择被抛开的过渡管、阀体和阀盖的中截面添加阀门对称约束。在结构分析选项中输入Z轴方向重力加速度9806.6mm/s² ，在X、Y轴输入OBE和SSE等效重力加速度的地震载荷，用于考虑B、D等工况下的地震载荷输入。选择阀体出口端面作为受力面，在X、Y、Z轴方向分别输入技术规格书要求的管道反作用力和扭矩。计算得出应力评定线上的薄膜应力和薄膜加弯曲应力（表1）。

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表1 设计工况计算结果

    按照ASME法规的要求，需要按照技术规格书指定的设计、A、B、C 及D试验等工况分别进行设计校核。而使用ANSYS软件进行分析的过程是相同的，只是输入的参数、考核的项目不同而已。因此，本文省略掉其余工况的计算过程。

    3 经验公式计算

    在内压下，阀体的最高应力区是在颈部与流道的连接处，其特征是垂直于中心线平面的周向拉力的最大值在内表面。下面使用详细的计算公式来控制这个拐角区的总体一次薄膜应力和弯曲应力。

    （1）内压引起的一次薄膜应力

        （1）

    式中 P_m———总体一次薄膜应力强度，MPa    

    A_f、A_m———流道中心线的共同平面内拐角区流体面积，mm²

    P_s———标准计算压力（ 依据NB－3545.1） ，MPa

    根据阀体与流道中心线共同平面内拐角区的最终断面图确定流体面积A_f和A_m（图2）。两处面积根据去掉预定的腐蚀余量的内表面确定。有效距离La=0.5d－Tb，Ln=0.5r2+0.354去掉腐蚀余量后的阀体颈部实际壁厚T=T_b－t。

    经计算，Pm =73.82MPa ＜Sm1（Sm1=123.8MPa），合格。

图2 压力面积    

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    （2）二次应力

    由管道反作用力引起的二次应力应得到满足，以保证阀体能安全传递由连接管道系统产生的力和力矩（图3）。由管道反作用力引起的二次应力为

        （2）

    式中    C_b———由连接管道力矩引起的阀体二次弯曲应力指数

    F_b———标准接管的弯曲模量，MPa

    G_b———拐角区阀体截面弯曲模量，mm³

    经计算，P_eb=39.07MPa＜1.5×S_m2（S_m2=185.7MPa），合格。

图3 确定阀体二次应力的截面    

    4 结语

    本文分别使用ANSYS软件及ASME经验公式对某核一级闸阀进行了仿真分析及经验公式计算。

    由ANSYS软件得出的阀体一次薄膜应力为69.193MPa，由经验公式计算得到一次薄膜应力为73.82MPa（误差为6.27%） ，经验公式的计算结果验证了仿真分析的准确性。由ANSYS软件得出的薄膜加弯曲应力值为115.31MPa，由经验公式计算得到的薄膜加弯曲应力为 112.89MPa （误差为2.14%），证明了软件分析计算结果的准确性。通 过对计算结果的对比分析可知，2种方法的计算误 差都在合理范围之内，两种计算方法都是正确的。因此，在新阀门的研发计算中可以使用较简单的有限元仿真分析方法，而使用经验公式的计算方法作为对仿真分析方法的设计校核。