核级阀门强度计算方法的研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Analysis Oil Calculation M ethods of Nuclear ValveLIU Jin-liang 。LIU Chun-yu( Harbin Engineering University，Harbin 150046，China；2.Harbin Electric Company Limited，Harbin 150040，China)Abstract：Experience formula calculation method and finite element simulation analysis method are usedt0 do strength calculation separately for a nuclear Class 1 gate valve in this paper.Through the compari-son for the two results which are calculated by the two methods，the simulation analysis and calculationis validated to be correct。

Key words：nuclear valve；gate valve；simulation analysis；CAD1 概述在核级阀门的设 汁计算中，需要遵守 ASME、RCCM等法规。ASME 1I NB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-种新的汁算方法。本文以某核-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-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2 000MPa，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-过渡管(过渡管长度为人口管径的2～5倍)，在过渡管人口施加固定约束，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，忽略过渡管人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 ANSYS Workbench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 和执行机构等省略掉的零件以-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。分别选取过作者简介：刘金梁(1980-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师，从事仿真分析工作。

2013年第1期 阀 门 - 37-渡管与阀体、阀体与阀盖相接触的表面为零件问的接触面，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9 806.6mm/s ，在x、，轴输入 OBE和 SSE等效重力加速度的地震载荷，用于考虑 、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轴方向分别输人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)。

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- 次薄膜应力和弯曲应力。

(1)内压引起的-次薄膜应力( o.5终断面图确定流体面积 A 和A (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L 0.5d-丁b，L 0.5 r20.354 (dTb)，去掉腐蚀余量后的阀体颈部实际壁厚 TTb-z。

I 2 压力 面积(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P ：-Cb F～bSeb (2) - /u b式中 c --由连接管道力矩引起的阀体二次弯曲应力指数F --标准接管的弯曲模量，MPaG --拐角区阀体截面弯曲模量，rain经计算，P。b39.07MPa<1.5× m2( m2185.7MPa)，合格。

(1) 4 结语 图 确定阀体二次应力的截面式中 P --总体-次薄膜应力强度，MPaA 、A --流道中心线的共同平面内拐角区流体面积，mnlP --标准计算压力(依据NB-3545.1)，M Pa根据阀体与流道中心线共同平面内拐角区的最本文分别使用ANSYS软件及ASME经验公式对某核-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-次薄膜应力 为69.193MPa，由经验公式计算得到-次薄膜应力为73.82MPa(误差为6.27%)，经验公式的计算结果(下转第 45页)2013年第1期 阀 门 .--45.-缓。处理方式是调整控制安全阀，减少蒸汽来量。

3.4 回座压力过低安全阀回座压力过低主要与阀门规格不匹配、阀门零件摩擦力大和控制安全阀蒸汽排泄量太大等原因有关。

(1)阀门规格不匹配。主安全阀公称直径超标，排泄量相对锅炉蒸发量太大，导致锅炉内压力过低。处理方式是选择规格匹配的主安全阀。

(2)阀门零件摩擦力大。零件间存在较大摩擦力，将会延缓阀瓣回座速度♀决方法就是认真检查各运动零件，严格按标准对各零件进行检修，将各部件的配合间隙调整至标准范围内。

(3)控制安全阀蒸汽排泄量太大∝制安全阀开启后，蒸汽不断排出，推动主安全阀动作。由于蒸汽是经由控制安全阀的阀瓣与导向套之间的间隙流向主安全阀活塞室的，当蒸汽冲出控制安全阀的密封面时，在其周围形成动能压力区，将阀瓣抬高，使控制安全阀继续排放。蒸汽排放量越大，阀瓣部位动能压力区的压强越大，作用在阀瓣上的向上的推力就越大，控制安全阀就越不容易回座，主安全阀自然回座延迟。消除这种故障的方法就是将控制安全阀的调节阀关小，增大背压，减少控制安全阀蒸汽流量 ，降低动能压力区内的压力，促使控制安全阀回座，主安全阀随即回座。

4 机械特性故障处理GB/T 12243-2005规定，安全阀动作必须稳定，应无频跳、颤振及卡阻等现象。

4.1 频跳安全阀回座后 ，待压力稍-升高，安全阀又开启，并且启闭动作反复几次出现，这种现象称为安全阀的频跳。频跳主要与安全阀回座压力过高有关。

如果回座压力较高，安全阀起跳时只能排出少量过剩的蒸汽。锅炉蒸发量较大时，系统内压力又会很快上升，造成阀门再次起跳。避免频跳常用的处理方法是开大节流阀的开度，减小背压。

4.2 颤振安全阀在排放过程中出现的抖动现象，称其为安全阀的颤振。颤振容易导致金属疲劳，降低阀门机械性能，造成设备损坏，引发安全事故。安全阀发生颤振主要与阀门使用不当或排放管道阻力过大等原因有关。

(1)阀门使用不当。选用阀门的排放能力太大(相对于必须排放量而言)，消除的方法是选用额定排量旧能接近设备排放量的阀门。

(2)排放管道阻力过大。排放管道阻力过大会造成排泄时阀门背压过高，引起阀门颤振。处理方法是降低排放管道的阻力，如增大管径或减少弯头数量。

5 结语主安全阀对锅炉运行的安全性和经济性有重要影响，因此安全阀安装后必须经过整定压力、机械特性等试验项 目检验合格后，方可投入使用。