核安全级阀门的结构力学分析
张征明,吴莘馨,何树延
(清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084)
摘要 介绍了核安全级阀门结构力学分析在安全评审中的重要作用。阐述了采用有限元分析法进行产品结构的三维力学分析技术的实用性和可靠性。以核二级电动截止阀为例,给出了采用三维有限元分析软件进行阀门结构力学分析的过程。
关键词 核安全;阀门;力学分析
中图分类号:TH134 文献标识码:A
1 概 述
在反应堆工程中,需要用到大量的阀门,其中有相当数量的阀门因其功能涉及到反应堆安全而被定为核安全级阀门。核安全级阀门在设计、制造和检验等各个环节上均有远高于普通阀门的要求,使其制造费用也远高于普通阀门。对于核安全级阀门,结构力学分析是安全审评中的一个必须环节。过去由于计算手段的限制,只能根据规范中的标准算法和一些经验公式进行估算。这种计算并不能全面反映结构的受力状况,也不能给设计人员指出结构的真正薄弱环节和改进方向。随着计算机技术和力学理论的发展,采用有限元分析(FEA)方法进行结构的三维力学分析已经走向成熟,并已经在核安全级设备的结构分析中得到了广泛应用。、
2 计算说明
H2 J961 Y -50/1500P型电动截止阀由阀体、阀瓣、阀杆、阀盖、连接螺栓、支架以及电动装置等组成(图1)。
1.电动装置 2.支架 3.阀盖 4.连接螺栓
5.阀杆 6.阀瓣 7.阀体
阀门主要设计参数
安全等级 核二级
公称通径 50mm
压力等级 1 500磅级
工作温度 ≤200℃
适用介质 含硼水
阀门质量 ≈137kg
阀门主要材料 A182、F316L
连接螺栓规格 M27
连接螺栓材料 0C r17Ni4Cu4Nb
电动装置质量 ≈56kg
结构力学分析将根据有关核规范中的规定,通过计算验证阀门在运行条件下的安全特性。计算的具体目的如下:
(1)承压边界的完整性校核;
(2)主要法兰的应力及变形分析;
(3)连接螺栓的受力分析。
采用国际通用有限元软件NASTRAN进行计算,前后处理的软件为PATRAN。
NAS TRAN是一个功能全面的可适用于各种产品类型结构分析的大型通用有限元软件,主要可解决结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性(噪)声学、流体/结构耦合、气动弹性、惯性释放及结构优化等问题,它最初是在1966年由美国MSC公司为美国国家航空航天局(NASA)开发的。经过几十年的发展, MSC已成为工程校验、有限元分析和计算机仿真预测应用软件(CAE)供应商,而NAS TRAN也不断发展完善,通过了大量考题和工程实践的检验,它的计算结果已得到了有限元界的一致公认,众多重视产品质量的大公司和工业行业都用NASTRAN作为产品分析的首选有限元工具。PAT RAN也是MSC公司的产品,是世界公认的集几何访问、有限元建模、分析及数据可视化于一体的框架式软件系统,它可将CAD/CAE/CAT软件及用户自编程序自然地融为一体而成为一个集成环境。
3 材料力学性能的确定
阀门主要部件的材料均为A182或F316L不锈钢。根据ASME-Ⅲ-1 ,取工作温度为200℃,可查该材料的许用应力[ 1] S 1 =107MPa。取不锈钢的弹性模量E =1.9×1011Pa ,泊松比μ=0.3 ,密度ρ= 7 900kg/m3。螺栓连接件的材料为0Cr17Ni4Cu4Nb。由GB 1220-92可查得该材料的屈服强度Sy =725 MPa ,抗拉强度[ 2]S u =930MPa。
材料的抗拉强度随温度的变化较小,根据RCC-M第一卷Z篇中的ZⅢ320 ,螺栓的许用应
力[ 3] S 2 =min (0.25 Sy , 0.2 Su) =181MPa。
4 正常运行条件下阀门的力学计算
正常运行条件下,阀门所承受的主要载荷包括工作压力、螺栓预紧力和自重。由于阀门的工作温度为均匀分布,因此系统的热应力很小,此处不做分析,工作温度仅影响结构材料的许用应力值。在建立有限元模型的过程中,只考虑阀门主要部件的质量和刚度分布,重点在于承压边界的模拟。
由于阀门的主要部件形状较复杂,因此将阀门分成3部分进行力学计算。第一部分是对阀体进行计算,以求得阀体应力分布;第二部分是对阀盖进行计算,以求得阀盖应力分布;第三部分是对阀门的主要连接螺栓进行计算,以对螺栓进行安全评价。
4.1 阀体
阀体的整体力学模型分两种情况。①阀瓣提起时,整个阀体承受工作压力。②阀瓣落下时,部分阀体承受工作压力。此处只介绍第一种情况下的力学计算。
考虑到阀体结构的对称性,取阀体的一半进行计算,有限元模型见图2。模型以10节点4面体单元建立,共有60 748个单元、11 644个节点。
压力等级1 500磅级的阀门对应的公称压力为25MPa ,因此模型中的载荷包括3类。①25.0MPa的内压,作用于阀体内部的通道上。②连接螺栓预紧力,方向向上,作用于顶部法兰的顶面上。③自重,作用于阀体的全部质量上。模型的约束有阀体通径的左端面约束沿通径方向的平动位移、阀体的对称面上给出对称性约束和阀体法兰顶端的密封面处约束垂直方向的位移。
根据GB 150-1998中的规定,连接螺栓的载荷取F 1和F 2中的最大值[ 4]。
式中
b———垫片的有效密封宽度, mm
DG———垫片反作用力处的直径, mm
y———垫片接触面的单位压紧载荷, MPa
m———垫片系数
pc———公称压力, MPa
取b =5.5mm , DG =109m , y =69MPa , m=3.0 , pc =25MPa。则连接螺栓的载荷为F =5.1567×105N。力F可等效成平均拉力施加于法兰顶端对应的圆环面上。
阀体壁面的应力强度应力分布如图3所示,阀体的变形如图4所示。由图可知阀体的最大应力值为265MPa ,发生在阀体内部的斜向通道的顶端,此处是一个尖角,最大应力值发生的区域仅在尖角周围约5mm的范围内,这个区域非常小,因此可将其视为局部的峰值应力。该区域以外的局部结构属于结构不连续区域,因此此处的应力可视为二次应力,其值约为190MPa。而阀体的承压边界上的整体应力较小,只是在斜向通道的外壁面上较大。根据承压边界的应力分类原则,由图中的应力分布可得知,此处的一次薄膜应力不超过50MPa ,一次薄膜加一次弯曲应力(即一次应力)不超过80MPa ,叠加在一次应力之上的二次应力不超过162MPa。阀体的整体变形很小,最大位移为0.022mm ,发生在顶部法兰的密封面上,是由于螺栓力产生的位移,而在阀瓣的对应位置上位移不超过0.013mm。
4.2 阀盖
考虑到阀盖结构的对称性,可取阀盖的一半进行计算,有限元模型见图5。模型以10节点4面体单元建立,共有69 546个单元, 14 135个节点。
模型中的载荷包括3类。①25.0MPa的内压,作用于阀盖底端。②连接螺栓预紧力,大小仍为F ,方向向下,可等效成平均压力施加于底部法兰顶端对应的圆环面上。③自重,作用于阀盖的全部质量上。模型的约束有阀盖底端密封面的位置上约束沿通径方向的平动位移和垂直方向的位移,阀盖的对称面上给出对称性约束。
阀盖壁面的应力强度应力分布如图6所示,阀盖的变形如图7所示。由图可知阀盖的最大应力为190MPa ,发生在阀盖底端密封面外侧的尖角处,其作用的区域仅在尖角周围约4 mm的范围内,这个区域非常小,因此可将其视为局部的峰值应力。该区域以外的局部结构属于结构不连续区域,因此此处的应力可视为二次应力,其值约为150 MPa。阀盖的主要受力部位为底部法兰,由图中的应力分布可得知,此处应力都较小,其中一次薄膜应力不超过60 MPa ,一次薄膜加一次弯曲应力(即一次应力)不超过90 MPa。阀盖的整体变形很小,最大位移为0.051 mm ,发生在底部法兰上,而在密封面位置上的位移不超过0.003 mm。
4.3 主要连接螺栓
本文只计算阀体与阀盖之间的连接螺栓。阀体-附件法兰连接螺栓的规格为M27 ,数量
为8根。其公称应力截面积为Ab =496mm2[ 5]。螺栓的预紧载荷为F =515.67 kN。正常运行条件下,预紧载荷主要平衡内压和自重产生的载荷。单根螺栓的拉伸应力为
5 阀门的力学评价
5.1 准则
此处按RCC-M第一卷C篇中2级设备的有关准则进行应力评价[ 6]。正常运行条件属于RCC-M规范的A级准则。C3552规定了核二级阀门在A级准则下各类应力的限值。核二级阀门不要求对二次应力和峰值应力进行评价,这里按C3284确定二次应力的应力限值,而峰值应力不进行评价。A级使用限制下的应力的限值如表1所示。
表1 核二级阀门在A级准则下的应力的限值M Pa
连接螺栓只存在拉伸应力,按C3284.9确定其应力限值(表2)。
5.2 应力计算
将前述的应力计算进行总结(表3),同时给出了相应的应力限值。
表3 阀门主要部件应力计算的总结M Pa
根据以上分析可知阀门在正常运行条件的应力均小于对应的应力限值,并有一定的安全裕度,因此阀门主要部件的结构强度足够安全。
6 结语
采用FEA方法进行结构的三维力学分析,可以使设计人员直观及全面地了解结构的应力分布和变形情况,这将使得非标设备的设计建立在更加科学合理的基础上,对于核安全级设备,也更符合核安全法规中分析法设计的基本思想。