核电厂通风阀抗震分析方法

核电厂通风阀抗震分析方法

范章 1,晋文娟 1,孟祥盖 1

1.中国核电工程有限公司，北京 100840

摘要：本文针对核电厂通风阀的一般结构，采用有限元分析对其进行抗震计算，从而证明该阀门在所承受载荷作用下满足相关规范及规格书对其强度的要求。通过建立完整的有限元模型进行分析得到阀门的振动模态及所对应的频率，并使用准静力法对该阀门在地震载荷下的响应进行计算和评定。计算结果对通风阀的设计和分析具有一定的指导意义。

关键词：ANSYS；模态分析；抗震计算；通风阀

1.引言

通风阀是核电厂中通风系统常用的控制部件，具有平衡、截止、调节、泄压等功能，通过风阀的组合可以实现和满足不同的工艺要求。同时风阀结构的可靠性对通风系统功能的实现也起着至关重要的作用，可靠的风阀结构能够确保核电厂通风系统的正常运行，防止核电厂放射性污染物质的扩散。

本文中所涉及的通风阀属于调节阀的一种，其功能是调节通风系统中介质的流量，其操作方式采用远程控制操作，通过传动部件带动轴的转动，并通过旋臂和连杆带动叶片旋转，从而实现阀门的启闭和调节。

2.模型建立

2.1阀门信息

本文中所分析的阀门为矩形调节阀，其安全等级为3级，质保等级为QA2级，抗震等级为I类，适用于普通介质空气，设计压力为5000Pa。气密性能为内泄露3000Pa，130L/sm²，局部阻力系数为0.04-0.15（全开），阀门关闭时间为30-40s，阀门各部分结构的主体材料详见表1。

表1 阀门主要材料

2.2计算载荷

计算中需要考虑不同载荷对阀门结构的影响，在本计算中需要考虑以下载荷：1）自重：通过施加竖直方向1g加速度考虑。2）管道载荷：考虑长度1.5m，厚度1.5mm同材质管道重量，模型中通过建立质量点考虑。3）人员检修载荷：考虑70kg人员检修载荷，通过施加竖直方向作用力考虑。4）执行机构载荷：通过建立质量的考虑执行机构施加在阀门上的载荷。5）运行压力：考虑5kPa运行压力。6）地震载荷SL-2：三个方向同时作用6g加速度；SL-1：三个方向同时作用4.8g加速度。

2.3评定准则

为使结果保守和便于计算，综合考虑正常运行和SSE地震载荷，应力限值选取正常工况许用应力进行评定。

2.4模型建立及模态分析

用有限元法对阀门进行模态分析。计算模型中对阀体、叶片和传动机构连接杆等均采用实体单元模拟。分析时在对阀门所连接的一端管道端部加上固定约束条件。模态分析得设备的前5阶频率见表2：

表2 设备的前5阶频率

阶数	频率（Hz）
1	77.286
2	77.379
3	95.735
4	95.874
5	105.31

计算得到第一阶模态振型，见图5.1。

图5.1阀门的第一阶模态

2.5阀门的应力

由模态分析可知，阀门的一阶固有频率为77.286Hz，可以采用等效静力法计算。阀门应力分析采用的模型与模态分析一致，施加的载荷包括自重、管道载荷、人员检修载荷、执行机构载荷、压力载荷及SSE地震载荷。

应力分析模型见图5.2，计算结果见图5.3。

图5.2 阀门的计算模型

图5.3阀门的应力分析结果

3.结果评定

阀体材料的基本许用应力S=120MPa，计算得到的第一主应力的最大值为176.80MPa，最大应力位置出现在阀体中间竖向支撑与顶板连接位置。

对阀体应力最大值位置进行应力线性化（详见表3），薄膜+弯曲应力为119.2MPa，小于基本许用应力，满足强度要求。

表3 阀体应力线性化结果

叶片材料的基本许用应力S=120MPa，计算得到的第一主应力最大值为77.03MPa，小于基本许用应力，满足强度要求。

传动机构材料的基本许用应力S=120MPa，计算得到的第一主应力最大值为96.46MPa，小于基本许用应力，满足强度要求。

4.总结

综合上述分析可知，通风阀在自重、管道载荷、人员检修载荷、执行机构载荷、运行压力及地震载荷共同作用下可以满足结构的完整性要求，具体为：

（1） 第一阶固有频率为77.286Hz，大于33Hz；

（2） 阀体、叶片及传动机构等的应力值均小于材料的许用应力，满足强度要求。

参考文献

[1] NB/T20039 《核空气核气体处理规范 通风/空调与空气净化》

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