引言
核島單座調(diào)節(jié)閥是核電站中量大面廣的水壓設(shè)備，它的主要功能是以一定的精度保持流量、壓力、溫度、水位等規(guī)定需要調(diào)節(jié)的參數(shù)。調(diào)節(jié)閥是核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵附件，設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)它進(jìn)行抗震分析，其結(jié)果可以用來衡量在經(jīng)歷運(yùn)行安全地震和安全停堆地震期間或其后，調(diào)節(jié)閥是否可以按照要求正常工作。
抗震分析廣泛應(yīng)用于核電廠核級(jí)設(shè)備的安全評(píng)價(jià)，如核電站環(huán)形吊車、反應(yīng)堆貯液容器，核電專用橋式起重機(jī)等。核安全級(jí)閥門同樣要求進(jìn)行抗震分析，張征明，吳莘馨等人對(duì)核安全級(jí)閥門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，孫英學(xué)對(duì)核電站穩(wěn)壓器閥門接管進(jìn)行了應(yīng)力分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的設(shè)備，一般采用質(zhì)點(diǎn)模型，但誤差較大，文中基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)調(diào)節(jié)閥的3維實(shí)體模型進(jìn)行抗震分析，結(jié)果更為準(zhǔn)確。
目前，抗震分析的方法主要有3種：等效靜力法、響應(yīng)譜法和時(shí)間歷程法。其中，時(shí)間歷程法的計(jì)算結(jié)果最為準(zhǔn)確，但是該計(jì)算方法比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，而等效靜力法與響應(yīng)譜法計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)也能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率大于33Hz時(shí)，可采用等效靜力法，該方法比響應(yīng)譜法計(jì)算更為簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用十分廣泛。文中采用等效靜力法對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行抗震分析。
1 有限元抗震分析
1.1 有限元分析模型
在進(jìn)行有限元分析時(shí)，如圖1的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖，其中閥體進(jìn)出口接管法蘭相距210mm，法蘭內(nèi)徑25mm，外徑124mm，閥門總高538mm，上下膜蓋的外圓直徑為285mm。對(duì)該3維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略彈簧，螺栓等小結(jié)構(gòu)，閥體、閥蓋、支架和膜蓋之間采用剛性連接，采用10節(jié)點(diǎn)、solid92單元對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為273473，節(jié)點(diǎn)數(shù)為52161。支架、閥蓋和閥體的材料分別為ZG230－450、P280GH和20M5M，在260℃下的許用應(yīng)力S分別取117.5MPa、117.5MPa和112.5MPa，取彈性模量為2.0×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7900kg/m3。

1.2 載荷施加、約束條件及求解
對(duì)調(diào)節(jié)閥閥體接管兩端施加全位移約束，采用BlockLanczos求解法提取3階模態(tài)。
在進(jìn)行抗震分析時(shí)，采用等效靜力法，施加載荷包括自重、內(nèi)壓和地震載荷，分別計(jì)算在SL1地震下調(diào)節(jié)閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥的地震響應(yīng)，以及調(diào)節(jié)閥在SL2地震載荷下調(diào)節(jié)閥開啟狀態(tài)下的地震響應(yīng)，
其中SL1地震載荷下的最大加速度為3.3g，SL2地震載荷下的最大加速度為5g。
1.3 固有頻率結(jié)果分析
有限元模態(tài)分析得到第1階固有頻率為49Hz，振型為垂直于流道方向擺動(dòng)，第2階固有頻率為61Hz，振型為沿流道方向擺動(dòng)；第3階固有頻率為198Hz，振型為繞豎直中心軸扭轉(zhuǎn)。從3個(gè)方向的1階固有頻率可以看出，垂直于流道方向的整體剛度最小，這是與調(diào)節(jié)閥自身的結(jié)構(gòu)特性，各部件的質(zhì)量與大小分布有關(guān)的。
1.4 抗震計(jì)算結(jié)果分析
SL1地震下調(diào)節(jié)閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布圖如圖2（a）與2（b）以及在SL2地震載荷下調(diào)節(jié)閥開啟狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布圖如2（c）所示，應(yīng)力值保守采用RCCMB級(jí)準(zhǔn)則校核。

從圖2（a），2（b）和2（c）可以看出，支架的拐角處，閥蓋－法蘭連接彎角處以及閥體中腔部分為應(yīng)力值較大區(qū)域。如圖2（a）所示的應(yīng)力分布圖，支架拐角處的應(yīng)力最大值為9.95MPa，閥蓋－法蘭連接的彎角處應(yīng)力最大值為14.6MPa，閥體中腔的應(yīng)力最大值為22.1MPa。如圖2（b）所示，支架拐角處的應(yīng)力最大值為9.46MPa，閥蓋－法蘭連接的彎角處應(yīng)力最大值為14.2MPa，閥腔處的最大應(yīng)力值為28.4MPa。如圖2（c）所示支架拐角處的應(yīng)力最大值為16.6MPa，閥蓋－法蘭連接的彎角處應(yīng)力最大值為22.1MPa，閥腔處的最大應(yīng)力值為49.6MPa。支架拐角處的最大應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的，屬于應(yīng)力集中，它的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力。在調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，閥蓋－法蘭連接處的最大應(yīng)力也是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的，但是在調(diào)節(jié)閥開啟時(shí)，由于閥蓋內(nèi)部存在內(nèi)壓，因此其應(yīng)力最大值是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)和內(nèi)壓共同作用造成的，閥體中腔的最大應(yīng)力是由于閥腔內(nèi)部的內(nèi)壓所造成的，閥體和閥蓋的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值126.8MPa。
2 調(diào)節(jié)閥抗震試驗(yàn)
2.1 調(diào)節(jié)閥的安裝、試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置
本試驗(yàn)在中國(guó)核動(dòng)力設(shè)計(jì)院的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，將調(diào)節(jié)閥安裝在振動(dòng)臺(tái)夾緊裝置上，保證調(diào)節(jié)閥的三正交軸與激振軸在同一條直線上，試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
試驗(yàn)采用電荷式加速度傳感器和電荷放大器測(cè)量臺(tái)面和調(diào)節(jié)閥上的加速度，應(yīng)變測(cè)量采用5×3mm泊式應(yīng)變計(jì)和MCC－16型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，數(shù)據(jù)采集用DEWE2010型數(shù)據(jù)采集儀。
試驗(yàn)中分別在調(diào)節(jié)閥重心（a#）、振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面（b#）和頂部（c#）各布置一個(gè)加速度傳感器，并且在調(diào)節(jié)閥薄弱部位（支架彎角1#、閥體中腔2#和閥蓋－中法蘭連接彎角處3#）布置3個(gè)應(yīng)變計(jì)來測(cè)量其在地震過程中的應(yīng)變響應(yīng)。
2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
首先對(duì)調(diào)節(jié)閥做動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)，分別在調(diào)節(jié)閥3個(gè)正交軸向施加不大于0.2g的正弦掃描信號(hào)，掃描頻率范圍為5～250Hz，掃描速度為倍頻/分，探測(cè)出設(shè)備各向的基階固有頻率和阻尼。
按照《核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南》的規(guī)定，可采用2次正弦掃描試驗(yàn)代替5次SL1地震試驗(yàn)，第1次掃頻時(shí)調(diào)節(jié)閥處于開啟狀態(tài)，第2次掃頻時(shí)調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。試驗(yàn)在調(diào)節(jié)閥的3個(gè)正交軸向各進(jìn)行2次，掃描速度不大于1倍頻/分，掃描頻率范圍為3Hz～35Hz，每次掃描后改變調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)，試驗(yàn)中保持工作壓力為4.16MPa。在每次SL1地震過程中測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)和應(yīng)變響應(yīng)。
SL1試驗(yàn)后分別在調(diào)節(jié)閥的3個(gè)正交軸向進(jìn)行1次SL2試驗(yàn)。試驗(yàn)頻率在3.18Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.6Hz、16Hz、20Hz、25.2Hz、32Hz處進(jìn)行，每個(gè)頻率施加5個(gè)以上連續(xù)正弦拍波，每個(gè)拍波的每個(gè)拍中含有12～15個(gè)周波，每個(gè)拍波之間有2s間隙，拍波的數(shù)量由每個(gè)頻率處的拍波試驗(yàn)時(shí)間不小于15s來決定。調(diào)節(jié)閥在保持工作壓力為4.16MPa下連續(xù)在20%～80%行程之間運(yùn)行1次循環(huán)操作，在每次SL2地震過程中測(cè)量各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)和應(yīng)變響應(yīng)。

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3 有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析
動(dòng)態(tài)特性測(cè)量結(jié)果為：調(diào)節(jié)閥在X方向（垂直于流道方向）第1階固有頻率為47.0Hz，阻尼比為2.94%；在Y（流道方向）方向第1階固有頻率為58.8Hz，阻尼比為4.93%；在Z向（豎直方向）的第1階固有頻率為189.5Hz，阻尼比為0.46%，各方向1階固有頻率均大于33Hz，因此可以認(rèn)為該調(diào)節(jié)閥具有足夠的剛性。從表1中比較可以看出，前3階固有頻率的誤差均小于5%。

在SL1地震試驗(yàn)中測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的加速度，8Hz以上頻率下重心處加速度響應(yīng)幅值在三正交軸向均大于3.3g，滿足抗震鑒定的輸入要求。另外，還測(cè)得各測(cè)點(diǎn)三正交軸向的應(yīng)力值，從而可以計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)力，列于表2中，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差均小于5%。

在SL2地震試驗(yàn)中測(cè)得各點(diǎn)三正交軸向的加速度和應(yīng)力最大值。從圖3中可以看出，頻率為8Hz以上的重心處加速度幅值均能包絡(luò)地震鑒定要求輸入的加速度幅值。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)分析得出，在SL2地震下，調(diào)節(jié)閥中1#、2#和3#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)最大總應(yīng)力分別為15.21MPa，48.37MPa和24.25MPa，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差均小于10%，這是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)得是調(diào)節(jié)閥在20%到80%行程中的應(yīng)力值，而在有限元分析時(shí)采用的是調(diào)節(jié)閥全部開啟下的模型，因此這個(gè)誤差值大于SL1下的誤差值。

4 結(jié)論
文中對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得到調(diào)節(jié)閥的前3階固有頻率分別為49Hz、61Hz和198Hz，與動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差小于5%，調(diào)節(jié)閥的各階頻率均大于33Hz，因此可以認(rèn)為調(diào)節(jié)閥具有較強(qiáng)的剛度。
對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有限元抗震分析，分析了調(diào)節(jié)閥在開啟和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)SL1下的抗震特性，并分析了調(diào)節(jié)閥在開啟狀態(tài)時(shí)SL2下的抗震特性，找出了在地震載荷作用下調(diào)節(jié)閥受力的薄弱部位，主要有支架拐角、閥蓋－中法蘭連接的彎角處和閥體中腔，應(yīng)力值按照RCCMB級(jí)準(zhǔn)則校核，校核結(jié)果滿足準(zhǔn)則要求，因此可以認(rèn)為調(diào)節(jié)閥具有足夠的抗震剛度。
有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，在SL1下應(yīng)力值的誤差小于5%，而SL2下的誤差大小于10%，這是由于在進(jìn)行SL2下的有限元分析時(shí)保守地采用了比較簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)閥全開模型，而在試驗(yàn)中測(cè)得了調(diào)節(jié)閥開度在20%～80%下的應(yīng)力值。
采用ANSYS對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行模態(tài)分析和抗震分析，誤差在允許范圍內(nèi)，說明利用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析與抗震分析是可行的，文中結(jié)果對(duì)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)、制造與鑒定具有重要意義。