大型先进压水堆常规岛大口径抽汽止回阀的应力分析*

2020-11-18刘宝军

机械研究与应用 2020年5期

岳阳，刘宝军

(1.中核苏阀科技实业股份有限公司，江苏苏州 215129； 2.国核电力规划设计研究院，北京 100094)

0 引言

大型先进压水堆常规岛抽汽止回阀是核电站中的关键设备之一，对汽轮机设备起着安全保护作用。在核电站的正常、安全和稳定运行具有极为重要的作用，是核电站可靠运行的保障。目前，该产品尚未实现国产化应用，结构设计上与国外还有一定的差距。

国产常规岛大口径抽汽止回阀的研究是属于2019年国家重大专项《大型先进压水堆及高温气冷堆核电站关键阀门制造技术与研究》之一，由于是大口径的流线型结构，阀体不能完全设计成球形或正圆柱型，属于形状较复杂的薄壁压力容器，仅采用常规设计法很难保证产品的性能，一旦发生失效，严重影响核电站的安全运行。因此，笔者首先介绍了大口径抽汽止回阀的主要结构形式和设计参数，然后利用有限元软件ANSYS对阀门进行精准的压力强度计算和深刻的分析，最后通过有关标准进行应力评定，确定阀门设计满足强度要求，提高阀门在核电站运行的可靠性。

1 阀门主要设计参数

当前分析的常规岛大口径抽汽止回阀是目前核电中口径最大，也是最具代表性的规格。设计参数如表1所列。总体上采用最先进的低流阻流线型旋启式结构，如图1所示。其阀体呈扁“凸”型结构，主要目的是降低流体阻力，提高阀瓣开启力，如图2所示。当然采用了这种结构后，会造成常规强度计算不全面、不精准，所以必须采用有限元分析法确保产品有足够的强度。

表1 阀门主要设计参数

图1 核电常规岛抽汽止回

2 条件和说明

在分析计算中，对模型进行简化，保留了主要承压零件，如图3所示，分析的目的是为了获得阀门在役运行过程中阀体、阀盖应力变形情况，并进行强度校核，为阀门的优化设计提供依据。

图3 装配体模型

分析前对该模型做以下几点说明：① 该模型所有尺寸均与施工图纸一致；② 为简化计算，不考虑中法兰螺柱螺母连接结构螺纹特征；③ 为缩减计算规模，考虑到阀门的对称性，取阀门的1/2建模；④ 阀体、阀盖材料均为ASTM A216 WCB，常温下密度为7.85 g/cm3，弹性模量2×105MPa，泊松比为0.3；螺柱和螺母材料分别为ASTM A193 B7/ASTM 194 2H,弹性模量2.3×105MPa，泊松比为0.3。

采用有限元软件ANSYS进行分析,分析中有以下几点假设:①假设认为模型中所有材料均为各向同性的线弹性体；②认为螺柱同时预紧，不考虑安装过程中的螺柱弹性交互作用；③不考虑中腔垫片压缩及回弹的非线性特性。

3 分析过程

(1) 模型导入

首先将在Solidworks中建好的几何模型保存为Parasolid格式，然后在ANSYS Workbench中建立静力学分析模块，导入保存好的几何模型。

(2) 网格划分

考虑到实体模型形状不规则，故在默认的基础上，对各部件最小网格尺寸分别进行控制，以平衡计算精度与计算规模，如图4所示。

图4 装配体网格图5 载荷及约束

(3) 边界条件

螺柱及螺母与阀盖之间、阀体与阀盖之间的接触均定义为摩擦接触阀体两端施加固定约束；阀门剖分面施加无摩擦约束；内腔施加2.2 MPa压力；考虑重力作用，取-Y方向；中法兰螺柱施加预紧力载荷，如图5所示。

(4) 运算结果

如图6～11所示，分别展示了阀体、阀盖和中法兰螺柱在预紧载荷下以及预紧载荷与内压作用下的Mises应力分布及变形情况：阀体中腔与支管交界处出现较大应力集中(如图9所示)；阀盖的最大应力位置处于结构不连续部位(如图11所示)；中法兰螺柱靠近阀体轴线侧应力大，远离阀体轴线侧应力较小，预紧载荷作用下时螺柱间应力分布均匀，施加内压后由于法兰出现微小偏转，螺柱间应力分布略有区别。