工業(yè)泵網(wǎng)  1概述

在核級閥門的設計計算中，需要遵守ASME、RCCM等法規(guī)。ASMEⅢNB分卷提供了具體的核級閥門的強度計算公式，假如按照全部公式（NB-3500）進行計算并且計算合格，其閥門的設計結果是可以被接受的。跟著計算機技術的發(fā)展，使用有限元應力分析的方法對閥門強度進行計算成為一種新的計算方法。本文以某核一級閘閥為例，分別使用兩種計算方法進行計算，同時對計算結果進行對比分析。

2仿真分析

將閘閥全部零件進行立體建模，并確定每個零件的密度以得到閥門的精確質(zhì)量。在進行應力分析時，假如在閥體的一端施加固定約束，而端部應力得不到有效開釋，將在閥體端面位置產(chǎn)生應力奇特，最大應力可達2000MPa，這顯然與現(xiàn)實情況相違反。根據(jù)相關經(jīng)驗及劃定，可以在閥體入口處增加一過渡管（過渡管長度為進口管徑的2～5倍），在過渡管進口施加固定約束，使應力奇特發(fā)生在管道進口。而評價分析結論時，只考核閥門的受力情況，忽略過渡管進口上泛起的誤導結論。這樣可以真實模擬閥體的受力情況，得出相對正確的應力分析值。在ASME法規(guī)中，著重關注閥門承壓邊界的受力情況。因此，只取閥體、閥蓋和過渡管組成的裝配體為研究對象。在閥體右側的中腔與支管接壤位置，根據(jù)經(jīng)驗劃分出3條閥體的應力評定線。同時將模型轉化到ANSYSWorkbench軟件中。

在ANSYS軟件中，對閥體、閥蓋、過渡管賦予材料屬性，對支架、過渡頭和執(zhí)行機構等省略掉的零件以一個有質(zhì)量的點代替，并選擇閥體與閥蓋相接觸的表面作為支撐質(zhì)量點位置的平面。分別選取過渡管與閥體、閥體與閥蓋相接觸的表面為零件間的接觸面，選擇約束類型為bonded綁定約束。對模型進行網(wǎng)格劃分處理，同時進行網(wǎng)格收斂性驗證。設定熱應力分析參數(shù)，選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接觸的表面設定設計溫度，選擇閥體的外表面確定對流換熱系數(shù)。

選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)相接處的內(nèi)腔表面設定介質(zhì)壓力，選擇過渡管左端面確定閥門的固定約束載荷，選擇被拋開的過渡管、閥體和閥蓋的中截面添加閥門對稱約束。在結構分析選項中輸入Z軸方向重力加速度9806.6mm/s2，在X、Y軸輸入OBE和SSE等效重力加速度的地震載荷，用于考慮B、D等工況下的地震載荷輸入。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸方向分別輸入技術規(guī)格書要求的管道反作用力和扭矩。計算得出應力評定線上的薄膜應力和薄膜加彎曲應力（表1）。

表1 設計工況計算結果

按照ASME法規(guī)的要求，需要按照技術規(guī)格書指定的設計、A、B、C及D試驗等工況分別進行設計校核。而使用ANSYS軟件進行分析的過程是相同的，只是輸入的參數(shù)、考核的項目不同而已。因此，本文省略掉其余工況的計算過程。

3經(jīng)驗公式計算

在內(nèi)壓下，閥體的最高應力區(qū)是在頸部與流道的連接處，其特征是垂直于中心線平面的周向拉力的最大值在內(nèi)表面。下面使用詳細的計算公式來控制這個拐角區(qū)的總體一次薄膜應力和彎曲應力。

（1）內(nèi)壓引起的一次薄膜應力

式中 Pm——————總體一次薄膜應力強度，MPa

 Af、Am——————流道中心線的共同平面內(nèi)拐角區(qū)流體面積，mm2

 Ps——————標準計算壓力（依據(jù)NB－3545.1），MPa

根據(jù)閥體與流道中心線共同平面內(nèi)拐角區(qū)的最終斷面圖確定流體面積Af和Am（圖2）。兩處面積根據(jù)去掉預定的腐蝕余量的內(nèi)表面確定。有效距離La=0.5d－Tb，Ln=0.5r2+0.354去掉腐蝕余量后的閥體頸部實際壁厚T=Tb－t。

經(jīng)計算，Pm=73.82MPa＜Sm1（Sm1=123.8MPa），合格。

圖2 壓力面積

（2）二次應力

由管道反作用力引起的二次應力應得到滿足，以保證閥體能安全傳遞由連接管道系統(tǒng)產(chǎn)生的力和力矩（圖3）。由管道反作用力引起的二次應力為

式中 Cb——————由連接管道力矩引起的閥體二次彎曲應力指數(shù)

 Fb——————標準接管的彎曲模量，MPa

 Gb——————拐角區(qū)閥體截面彎曲模量，mm3

經(jīng)計算，Peb=39.07MPa＜1.5×Sm2（Sm2=185.7MPa），合格。

圖3 確定閥體二次應力的截面

4結語

本文分別使用ANSYS軟件及ASME經(jīng)驗公式對某核一級閘閥進行了仿真分析及經(jīng)驗公式計算。

由ANSYS軟件得出的閥體一次薄膜應力為69.193MPa，由經(jīng)驗公式計算得到一次薄膜應力為73.82MPa（誤差為6.27%），經(jīng)驗公式的計算結果驗證了仿真分析的正確性。由ANSYS軟件得出的薄膜加彎曲應力值為115.31MPa，由經(jīng)驗公式計算得到的薄膜加彎曲應力為112.89MPa（誤差為2.14%），證實了軟件分析計算結果的正確性。通過對計算結果的對比分析可知，2種方法的計算誤差都在公道范圍之內(nèi)，兩種計算方法都是準確的。因此，在新閥門的研發(fā)計算中可以使用較簡樸的有限元仿真分析方法，而使用經(jīng)驗公式的計算方法作為對仿真分析方法的設計校核。