在核閥的設(shè)計和計算中，需要遵守ASME、RCCM等法規(guī)。ASMEⅢNB分卷提供了詳細的核級閥門的強度計算公式，如果按照全部公式（NB-3500）計算合格，閥門設(shè)計結(jié)果可接受。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用有限元應(yīng)力分析法計算閥門強度已成為一種新的計算方法。本文以核一級閘閥為例，采用兩種計算方法進行計算，并對計算結(jié)果進行比較分析。

2仿真分析

對閘閥的所有部件進行三維建模，并確定每個部件的密度，以獲得閥門的準(zhǔn)確質(zhì)量。在應(yīng)力分析中，如果在閥體一端施加固定約束，端部應(yīng)力不能有效釋放，則在閥體端面產(chǎn)生應(yīng)力異常，最大應(yīng)力可達2萬MPa，這顯然與現(xiàn)實背道而馳。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗和規(guī)定，閥體入口處可增加一根過渡管（過渡管長度為入口管徑的2~5倍），過渡管入口處可施加固定約束，使管道入口處出現(xiàn)應(yīng)力異常。在評估和分析結(jié)論時，只評估閥門的應(yīng)力，忽略過渡管入口的誤導(dǎo)性結(jié)論。這樣，閥體的應(yīng)力就可以真正模擬，得到相對準(zhǔn)確的應(yīng)力分析值。ASME法律法規(guī)重點關(guān)注閥門壓力邊界的應(yīng)力。因此，研究對象僅由閥體、閥蓋和過渡管組成（圖1）。根據(jù)經(jīng)驗，在閥體右側(cè)中腔與支管交界處的三條應(yīng)力評價線。同時，將模型轉(zhuǎn)換為ANSYSWorkbench軟件中。

圖1

在ANSYS在軟件中，將閥體、閥蓋和過渡管賦予材料屬性，用優(yōu)質(zhì)點替換支架、過渡頭和執(zhí)行機構(gòu)省略的零件，并選擇閥體與閥蓋接觸的表面作為支撐質(zhì)量點位置的平面。過渡管與閥體、閥體與閥蓋接觸的表面為零件之間的接觸面，約束類型為bonded綁定約束。對模型進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格收斂驗證。設(shè)置熱應(yīng)力分析參數(shù)，選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)接觸的表面設(shè)置設(shè)計溫度，選擇閥體外表面確定對流換熱系數(shù)。

介質(zhì)壓力設(shè)置在過渡管、閥體和閥蓋的內(nèi)腔表面，閥門的固定約束載荷設(shè)置在過渡管的左端面，閥門對稱約束添加在過渡管、閥體和閥蓋的中間部分。在結(jié)構(gòu)分析選項中輸入Z軸向重力加速度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地震載荷輸入等工況。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸向輸入技術(shù)規(guī)范要求的管道反應(yīng)力和扭矩。計算應(yīng)力評估線上的膜應(yīng)力和膜彎曲應(yīng)力(表1)。

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表1

按照ASME根據(jù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的設(shè)計要求，A、B、C及D對試驗等工況進行設(shè)計校核。ANSYS軟件分析的過程是相同的，但輸入的參數(shù)和評估的項目是不同的。因此，本文省略了其他工作條件的計算過程。

3經(jīng)驗公式計算

在內(nèi)部壓力下，閥體的最大應(yīng)力區(qū)位于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。以下是一個詳細的計算公式來控制整個角落的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

(1)內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力

   （1）

式中 P_m———薄膜應(yīng)力強度一次，MPa

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

P_s———計算標(biāo)準(zhǔn)壓力(依據(jù))NB－3545.1），MPa

流體面積根據(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A_f和A_m(圖2)。根據(jù)去除預(yù)定腐蝕余量的內(nèi)表面確定兩個區(qū)域。有效距離La=0.5d－Tb，Ln=0.5r2 0.354去除腐蝕余量后閥體頸部實際壁厚T=T_b－t。

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

圖2 壓力面積

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(2)二次應(yīng)力

應(yīng)滿足管道反應(yīng)力引起的二次應(yīng)力，以確保閥體能夠安全傳遞連接管道系統(tǒng)產(chǎn)生的力和扭矩（圖3）。管道反應(yīng)力引起的二次應(yīng)力為

   （2）

式中 C_b———由連接管力矩引起的閥體二次彎曲應(yīng)力指數(shù)

F_b———彎曲模量為標(biāo)準(zhǔn)接管，MPa

G_b———拐角區(qū)閥體截面彎曲模量，mm³

經(jīng)計算，P_eb=39.07MPa＜1.5×S_m2（S_m2=185.7MPa），合格。

圖3 確定閥體二次應(yīng)力的截面

4 結(jié)語

本文分別使用ANSYS軟件及ASME經(jīng)驗公式對核一級閘閥進行了模擬分析和經(jīng)驗公式計算。

由ANSYS軟件獲得的閥體一次膜應(yīng)力為69.193MPa，薄膜應(yīng)力由經(jīng)驗公式計算為73.82MPa（誤差為6.27%) 經(jīng)驗公式的計算結(jié)果驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性。ANSYS軟件獲得的薄膜加彎曲應(yīng)力值為115.31MPa，經(jīng)驗公式計算的薄膜加彎曲應(yīng)力為 112.89MPa（誤差為2.14%)證明了軟件分析計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 通過對計算結(jié)果的比較分析，可以看出兩種方法的計算誤差 在合理范圍內(nèi)，兩種方法都是正確的。因此，簡單的有限元模擬分析方法可以用于新閥門的研發(fā)和計算，經(jīng)驗公式的計算方法可以用作模擬分析方法的設(shè)計驗證。