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

2仿真分析

對(duì)閘閥的所有部件進(jìn)行三維建模，并確定每個(gè)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(dá)2萬(wàn)MPa，這顯然與現(xiàn)實(shí)背道而馳。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)定，閥體入口處可增加一根過(guò)渡管（過(guò)渡管長(zhǎng)度為入口管徑的2~5倍），過(guò)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(píng)估和分析結(jié)論時(shí)，只評(píng)估閥門的應(yīng)力，忽略過(guò)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(duì)準(zhǔn)確的應(yīng)力分析值。ASME法律法規(guī)重點(diǎn)關(guān)注閥門壓力邊界的應(yīng)力。因此，研究對(duì)象僅由閥體、閥蓋和過(guò)渡管組成（圖1）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在閥體右側(cè)中腔與支管交界處的三條應(yīng)力評(píng)價(jià)線。同時(shí)，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(guò)渡管賦予材料屬性，用優(yōu)質(zhì)點(diǎn)替換支架、過(guò)渡頭和執(zhí)行機(jī)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(diǎn)位置的平面。過(guò)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(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格收斂驗(yàn)證。設(shè)置熱應(yīng)力分析參數(shù)，選擇過(guò)渡管、閥體和閥蓋中與介質(zhì)接觸的表面設(shè)置設(shè)計(jì)溫度，選擇閥體外表面確定對(duì)流換熱系數(shù)。

介質(zhì)壓力設(shè)置在過(guò)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(guò)渡管的左端面，閥門對(duì)稱約束添加在過(guò)渡管、閥體和閥蓋的中間部分。在結(jié)構(gòu)分析選項(xiàng)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(jì)算應(yīng)力評(píng)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(jì)要求，A、B、C及D對(duì)試驗(yàn)等工況進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。ANSYS軟件分析的過(guò)程是相同的，但輸入的參數(shù)和評(píng)估的項(xiàng)目是不同的。因此，本文省略了其他工作條件的計(jì)算過(guò)程。

3經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(gè)詳細(xì)的計(jì)算公式來(lái)控制整個(gè)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(qiáng)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(jì)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(gè)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(shí)際壁厚T=T_b－t。

經(jīng)計(jì)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(jì)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(yǔ)

本文分別使用ANSYS軟件及ASME經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)核一級(jí)閘閥進(jìn)行了模擬分析和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(yàn)公式計(jì)算為73.82MPa（誤差為6.27%) 經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)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(yàn)公式計(jì)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析，可以看出兩種方法的計(jì)算誤差 在合理范圍內(nèi)，兩種方法都是正確的。因此，簡(jiǎn)單的有限元模擬分析方法可以用于新閥門的研發(fā)和計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法可以用作模擬分析方法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。