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1、核安全级安全阀抗震应力分析与评定介绍了安全阀抗震分析的一般步骤。利用ANSYS软件计算了核安全级 弹簧式安全阀在地震工况下的三维应力分布，根据ASM E锅炉和压力容器规范 进行了完整性评定。1、概述核安全级安全阀是核电站中重要的安全设备之一，用以防止系统压力 超过允许的极限，确保系统安全运行。随着第三代核电站的建设，对核安全级 安全阀的设计和制造提出了更高要求。安全阀必须能够承受包括地震载荷在内 的组合载荷，并且不会发生破坏或失稳，从而满足结构完整性和功能要求。随 着计算机仿真技术的快速发展，利用有限元软件构建阀门三维模型，进行各 种工况下的结构完整性分析技术已经日趋成熟，并已经得到了广泛的应
2、用。本 文以某型号核安全二级弹簧式安全阀为例，利用ANSYS 11.0软件进行了安全 阀的模态频率计算和应力分析，并根据ASME锅炉和压力容器规范对安全阀在 地震工况下的结构完整性进行了应力评定。2、分析方法为了保证安全阀在使用期限内能够安全运行，必须进行抗震分析，检验 阀门各部位是否有足够的强度和刚度。一般考虑运行基准地震(Operating Basis Earthquake, OBE )和安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, SSE) 两类地震载荷。抗震分析一般可分为建立模型(合理简化安全阀结构部件，建立能准确 反映其动力特性的有限元模型)、频率计算(计算安全阀
3、的自振频率，如果该 阀门最低自振频率大于33Hz,则在应力计算时可采用等效静力法。如果小于33Hz,则必须采用动力法）、应力计算（根据相关标准及阀门实际工况，确定 边界条件及载荷组合。利用有限元软件进行各种工况下安全阀的应力分析，特 别是关键（或危险）位置处的应力分布）和安全评定（对阀门关键部位的应力， 按照不同的使用等级进行应力分类和组合，再按照对应的应力限值进行应力 评定，同时确定阀门是否满足最大变形限制）4步。根据应力评定结果，即可 判断出该安全阀能否在地震工况下安全运行。3、有限元模型参数安全阀的等级为核安全二级，设计压力为4. OMPa,二次侧设计压力为 l.5MPa,设计温度为20
4、0o阀体、阀座和阀盖材料均为SA - 182MF304,螺 栓材料为SA - 193M B7o根据ASMEBPVC IID分卷,200下的两种材料的许用 应力S分别为116MPa和170MPao材料弹性模量E =2力GPa,泊松比v = 0. 3, 密度二 7 800kg/m3o建模考虑到安全阀结构复杂，为便于分析，采取在ANSYS中直接建模的方式。 阀体模型的建立除忽略不相关的微小几何特征（均在远离结构突变的区域）， 其他形状和尺寸均与设计纸一致。1安全阀三维有限元模型考虑到阀体物理形状、材料、载荷等都具有对称性，沿对称面截取一半 有限元模型进行计算。这样做既可缩短分析求解时间，提高运算速度
5、，又可将 单元可划分更细，计算结果更精确。模型采用结构单元Solid95o使用ANSYS软件的智能网格划分（Smart Size）工具，根据阀体模型的形状和尺寸，及所设置的精度级别，自动选择-2- 合适的网格密度进行划分。一共划分了 66 373个单元（1）。螺母与法兰之间的相互作用采用面接触单元Contal74和Targel69单元 的接触对模拟，忽略螺栓孔与螺栓之间、垫片与螺母之间的相互关系，螺母与 法兰之间的摩擦系数为0. 3。螺栓的预紧力采用Pretsl79单元模拟，Ansys在 已分网格的相应位置上建立预紧单元。3.1、 载荷及边界条件根据安全阀的实际工作情况，在进出口法兰处取固定边
6、界约束，在对 称面上施加位移对称边界约束。抗震分析考虑的载荷主要包括内压、地震、自 重、预紧力和接管载荷等。考虑SSE地震工况（即设计压力十二次侧压力+ SSE 地震+自重+螺栓预紧力+接管载荷），则SSE地震加速度按照水平方向5g、垂 直方向3.5g设置。求解时采取3个载荷步。第1步中施加预紧力，计算预紧 力单独作用下的结果作为初始状态。第二步锁定因预紧载荷引起的预紧节点位 移，并在以后的载荷步中保持不变，这就真实地模拟了螺栓预紧后的情况。第 三步施加各种载荷，计算阀门应力分布。4、应力分析及评定频率分析首先计算安全阀在两种不同约束条件下的自振频率。先考虑约束进口法 兰情况下，计算得到该安全
7、阀第一阶自振频率为73. 5Hz （2a）。与该阀进行抗 震试验时所测的最低自振频率79. 7Hz较接近，验证了本文有限元分析模型的 可靠性。接着计算安全阀在现场实际运行时，即同时约束进出口法兰情况下的 自振频率，该阀第一阶自振频率为395.27 Hz （2b）。两种约束情况下安全阀 第一阶自振频率均大于33Hz,因此可采用等效静力法进行应力计算。（a）自-3-振频率为73. 5Hz (b)自振频率为395. 27Hz2安全阀第一阶频率模型振型应力计算根据ASME标准，对不同性质的应力，按照不同的限制条件进行分析工 首先根据应力分布确定典型的危险截面进行评定，然后选取内外壁相对的两 个节点设置
8、路径，Ansys自动将应力值进行均匀化和当量线性化分类处理，然 后根据相应限值进行分类评定。应力限值取A级，即m 1.0s, m +b 1.5so 安全阀进口颈、出口颈、阀体焊接处、进出口法兰为重点关注的危险区域，表 1中列出了这5处详细的应力计算结果。根据分析结果可知，安全阀在地震工 况下的应力值均小于对应限值，并有一定的安全裕度，因此该型号安全阀满 足抗震要求。表1安全阀主要部件应力计算损伤定位测试样本5、结语通过有限元软件进行抗震分析，可全面直观地了解安全阀的应力变形 分布情况，为核安全级阀门的设计提供可靠的参考依据，将进一步提高核安 全级阀门结构设计水平。本文只是进行了静力分析，要详细分析阀门在地震谱 作用下的应力变化过程,还需进行响应谱分析。-4-