研究核阀强度计算方法

在核阀的设计和计算中，需要遵守ASME、RCCM等法规。ASMEⅢNB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）计算合格，阀门设计结果可接受。随着计算机技术的发展，采用有限元应力分析法计算阀门强度已成为一种新的计算方法。本文以核一级闸阀为例，采用两种计算方法进行计算，并对计算结果进行比较分析。

2仿真分析

对闸阀的所有部件进行三维建模，并确定每个部件的密度，以获得阀门的准确质量。在应力分析中，如果在阀体一端施加固定约束，端部应力不能有效释放，则在阀体端面产生应力异常，最大应力可达2万MPa，这显然与现实背道而驰。根据相关经验和规定，阀体入口处可增加一根过渡管（过渡管长度为入口管径的2~5倍），过渡管入口处可施加固定约束，使管道入口处出现应力异常。在评估和分析结论时，只评估阀门的应力，忽略过渡管入口的误导性结论。这样，阀体的应力就可以真正模拟，得到相对准确的应力分析值。ASME法律法规重点关注阀门压力边界的应力。因此，研究对象仅由阀体、阀盖和过渡管组成（图1）。根据经验，在阀体右侧中腔与支管交界处的三条应力评价线。同时，将模型转换为ANSYSWorkbench软件中。

图1

在ANSYS在软件中，将阀体、阀盖和过渡管赋予材料属性，用优质点替换支架、过渡头和执行机构省略的零件，并选择阀体与阀盖接触的表面作为支撑质量点位置的平面。过渡管与阀体、阀体与阀盖接触的表面为零件之间的接触面，约束类型为bonded绑定约束。对模型进行网格划分和网格收敛验证。设置热应力分析参数，选择过渡管、阀体和阀盖中与介质接触的表面设置设计温度，选择阀体外表面确定对流换热系数。

介质压力设置在过渡管、阀体和阀盖的内腔表面，阀门的固定约束载荷设置在过渡管的左端面，阀门对称约束添加在过渡管、阀体和阀盖的中间部分。在结构分析选项中输入Z轴向重力加速度9806.6mm/s²，在X、Y轴输入OBE和SSE等效重力加速度的地震载荷，用于考虑B、D地震载荷输入等工况。选择阀体出口端面作为受力面，在X、Y、Z轴向输入技术规范要求的管道反应力和扭矩。计算应力评估线上的膜应力和膜弯曲应力(表1)。

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表1

按照ASME根据技术规范规定的设计要求，A、B、C及D对试验等工况进行设计校核。ANSYS软件分析的过程是相同的，但输入的参数和评估的项目是不同的。因此，本文省略了其他工作条件的计算过程。

3经验公式计算

在内部压力下，阀体的最大应力区位于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。以下是一个详细的计算公式来控制整个角落的膜应力和弯曲应力。

(1)内压引起的薄膜应力

   （1）

式中 P_m———薄膜应力强度一次，MPa

A_f、A_m———流道中心线的共同平面内拐角区流体面积，mm²

P_s———计算标准压力(依据)NB－3545.1），MPa

流体面积根据阀体与流道中心线共同平面内拐角区的最终断面图确定A_f和A_m(图2)。根据去除预定腐蚀余量的内表面确定两个区域。有效距离La=0.5d－Tb，Ln=0.5r2 0.354去除腐蚀余量后阀体颈部实际壁厚T=T_b－t。

经计算，Pm=73.82MPa＜Sm1（Sm1=123.8MPa），合格。

图2 压力面积

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(2)二次应力

应满足管道反应力引起的二次应力，以确保阀体能够安全传递连接管道系统产生的力和扭矩（图3）。管道反应力引起的二次应力为

   （2）

式中 C_b———由连接管力矩引起的阀体二次弯曲应力指数

F_b———弯曲模量为标准接管，MPa

G_b———拐角区阀体截面弯曲模量，mm³

经计算，P_eb=39.07MPa＜1.5×S_m2（S_m2=185.7MPa），合格。

图3 确定阀体二次应力的截面

4 结语

本文分别使用ANSYS软件及ASME经验公式对核一级闸阀进行了模拟分析和经验公式计算。

由ANSYS软件获得的阀体一次膜应力为69.193MPa，薄膜应力由经验公式计算为73.82MPa（误差为6.27%) 经验公式的计算结果验证了仿真分析的准确性。ANSYS软件获得的薄膜加弯曲应力值为115.31MPa，经验公式计算的薄膜加弯曲应力为 112.89MPa（误差为2.14%)证明了软件分析计算结果的准确性。 通过对计算结果的比较分析，可以看出两种方法的计算误差 在合理范围内，两种方法都是正确的。因此，简单的有限元模拟分析方法可以用于新阀门的研发和计算，经验公式的计算方法可以用作模拟分析方法的设计验证。