核電閥門設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用及分析

1、核電閥門設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用及分析李軍業(yè) , 蔣 琦(中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司 , 江蘇 蘇州 215001)摘要論述了按 a sm e b pv c2 規(guī)范進(jìn)行核電閥門設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 , 如最小壁厚計(jì)算 、應(yīng)力計(jì)算與抗震分析 、許用應(yīng)力的選取和無損檢測要求等 , 并就規(guī)范沒有明確規(guī)定的內(nèi)容提出了 可行的解決方案 。關(guān)鍵詞 核電閥門 ; 設(shè)計(jì) ; 應(yīng)力分析 ; 許用應(yīng)力 ; 無損檢測中圖分類號 : th134文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : adesign of nuclear po wer valvesl i jun2ye , j ian g qi( su fa technology indust ry c

2、o . , l t d. cnnc , suzhou 215001 , china)abstract : briefly int ro ducing so me aspect e . g. t he calculatio n of t he minimum bo dy wall t hickness ,t he st ress calculatio n and anti2eart hquake analysis ,t he selectio n of allowable st ress and t he require2ment s of no2dest ructio n examinatio

3、 n etc. during t he design of nuclear valves per a sm e b pv c2 ,and exp ressed perso nnel opinio ns o n so me aspect s t hat are not clearly defined in t he specificatio n .key words : nuclear valves ; design ; st ress analysis ; allowable st ress ; nd e requirement s1引言美 國 a sm e 鍋 爐 和 壓 力 容 器 規(guī) 范

4、 第 卷 (a sm e b pv c2 ) 核動(dòng)力裝置部分包含了核電閥 門 的 設(shè) 計(jì) 規(guī) 定 , 其 中 nb23500 、n c23500 、nd23500 規(guī)定了核電閥門的設(shè)計(jì)規(guī)范 , nb 、n c 和 nd分卷分別針對一級 、二級和三級設(shè)備 。2一級設(shè)備nb23500 規(guī)定了一級閥門的設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析規(guī) 范 。于閥體基本內(nèi)徑的定義 。當(dāng)閥門口徑 n ps 4 時(shí) , 常規(guī)形狀的閥門可按 “標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則”進(jìn)行設(shè)計(jì) , 按 “標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則” 須滿足 nb23530nb23550 規(guī)定的要求 , 同時(shí)對閥 門的形狀規(guī)則都有具體的限制 (按 nb23544) 。211閥體應(yīng)力分析nb2350

5、0 根據(jù)壓力面積法確定閥體交叉部位的 一次薄膜應(yīng)力 pm , 按 tresca 方程計(jì)算 , 得a f+ 015 ps s mpm =a m當(dāng)閥門口徑 n ps 4 時(shí) ,可按 a sm e b16134式中的 ps 為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算壓力 , 其數(shù)值不一定就是設(shè)計(jì)壓力 , 它是根據(jù) a sm e b16134 閥門溫壓曲 線表查取的對應(yīng)于 500 和閥門壓力額定值等級數(shù) (例如 1500 磅級) 下的最大允許工作壓力 。而式中的 s m 為按 a sm e b pv c2 2d21 表 2a 和表 2b 中 材料在 500 的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值 。閥體還需按下式進(jìn)行二次應(yīng)力的計(jì)算s n = q p +

6、peb + 2 q t3 3 s m式中的壓力都為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算壓力 ps 。的方法進(jìn)行設(shè)計(jì) 。但應(yīng)注意在殼體壁厚的計(jì)算時(shí) ,nb23500 對閥體基本內(nèi)徑 d m 的定義為臨近焊端區(qū) 域的閥體內(nèi)徑較大者 , 而 a sm e b16134 規(guī)定的閥 體基本內(nèi)徑為流道的最小直徑 , 但不得小于閥體端 部基本內(nèi)徑的 90 % 。此內(nèi)徑的定義同樣應(yīng)用于口 徑 n ps 4 的一級閥門的殼體壁厚計(jì)算中 。兩種定 義的區(qū)別意味著按 b16134 閥體最小壁厚的要求設(shè) 計(jì)的閥門不能認(rèn)為就自動(dòng)符合 nb23500 要求的閥 體最小壁厚 。但對于二級和三級閥門的殼體最小壁啟和關(guān)閉循環(huán) , 并要求閥門在循環(huán)載荷下合

7、格。nb23525 、3526 、3527 提出了 a 、b 、c 和 d 4 種載荷限制 , 設(shè)計(jì)規(guī)范書可對載荷限制提出具體要 求 。a 級和 b 級僅允許閥門在彈性范圍內(nèi) , c 級和用 631 制造 。規(guī)范明確了 630 的最高使用溫度為650 / 343 , 應(yīng)注意其溫度限制 。a sm e b pv c2 明確規(guī)定中法蘭螺栓是承壓螺栓 , 但沒有規(guī)定填 料螺栓是否為承壓螺栓 。按作者對規(guī)范的理解 , 填 料螺栓可以作為非承壓件 , 可按 nb2354613 設(shè)計(jì)計(jì)算 。因?yàn)楹搜b置承壓螺栓越來越多地采用 630 材 料 , 特別是主體材料為不銹鋼時(shí) 。這種材料的螺栓 不容易采購到標(biāo)準(zhǔn)件

8、 , 一般都是制造廠自己生產(chǎn) , 所以成本很高 , 如果能采用其他容易采購的材料但 同時(shí)又滿足規(guī)范的要求 , 則可以降低成本 。215 設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值承壓件的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值按 a sm e b pv c2 2d21 表 2a/ 2b 的規(guī)定選取 。 承壓螺栓的設(shè)計(jì) 應(yīng)力強(qiáng)度值按 a sm e b pv c2 2d21 表 4 的規(guī)定選 取 。 強(qiáng)度失效理論為最大剪應(yīng)力理論 , 某一點(diǎn)的最大剪應(yīng)力等于該點(diǎn) 3 個(gè)主應(yīng)力中代數(shù)最大值與最 小值之差的一半 ( nb23212) 。3 二級設(shè)備和三級設(shè)備一般情況下 , 二級和三級設(shè)備用的閥門符合a sm e b16134 的要求 , 同時(shí)也能滿足 n

9、c23500 和nd23500 的 要 求 。承 壓 件 的 最 大 許 用 應(yīng) 力 值 按a sm e b pv c2 2d21 表 1a/ 表 1b 的規(guī)定選取 ( 表1) , 承壓螺栓的許 用 應(yīng) 力 按 a sm e b pv c2 2d21表 3 的規(guī)定選取 (表 2) 。4 抗震計(jì)算有抗震要求的核電閥門都要求能通過抗震計(jì) 算 。對抗震 1a 類 (能動(dòng)) 閥門 , 要求其在 sl 2 發(fā) 生時(shí)仍能保持壓力邊界的完整性 、以及可操作性 。 對于抗震 1 i 類 ( 非能動(dòng)) 閥門 , 僅要求其在 sl 2 下能保持其壓力邊界的完整性 。a sm e b pv c2 中沒有明確給出抗震

10、計(jì)算的細(xì)節(jié) 。核電閥門通常都要 求閥門延伸結(jié)構(gòu)的一階自振頻率 33 hz ( 地震的 頻率一般 33 hz) , 即要求為剛性閥門 , 并檢驗(yàn)軸 最大偏移量是否符合要求 。自振頻率的計(jì)算可采用 rayleigh 法 。也可采用有限元分析法計(jì)算閥門的自振頻率 , 以便獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果 。同時(shí) , a sm e b pv c2 要求對閥門的危險(xiǎn)截面 如閥體頸部 、中法蘭螺栓截面 、閥蓋頸部 、支架根 部等進(jìn)行抗震計(jì)算 。對于剛性閥門即自振頻率 33hz 的閥門 , 通?？刹捎玫刃ъo力法進(jìn)行計(jì)算 , 即假定地震加速度為 zpa ( 零周期加速度) 并作用 于延伸結(jié)構(gòu)的重心上 , 并與設(shè)計(jì)壓力 、操

11、作力等進(jìn) 行疊加 , 對危險(xiǎn)截面進(jìn)行抗震分析 。d 級則允許產(chǎn)生塑性現(xiàn)象 ,塑性 。212閥體2閥蓋連接d 級甚至允許很明顯的根據(jù) nb2354611 ,如果閥體2閥蓋采用螺栓連接時(shí) , 采用 xi23000 的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算 。如果閥體2閥蓋的連接不是螺栓連接方式 ,條件進(jìn)行設(shè)計(jì) 。設(shè)計(jì)壓力等于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算壓力 。設(shè)計(jì)溫度為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算溫度 。則應(yīng)按下列熱應(yīng)力基于最嚴(yán)重工況考慮 ,為 37178 / h 。假定溫度梯度基于上述工況的至少 2 000 次循環(huán)的疲勞壽命 。213主要零部件根據(jù) nb2354612 , 閥瓣作為承壓邊界考慮 , 一 次薄膜應(yīng)力不超過 s m , 一次彎曲應(yīng)力不超過 1

12、15s m 。閥桿及其他重要的受力零件失效會(huì)導(dǎo)致壓力邊 界完整性的破壞 。根據(jù) nb2354613 , 其設(shè)計(jì)以常溫 下最大允許工作壓力和附加載荷計(jì)算的一次應(yīng)力不 超過 s m 為原則 , 當(dāng)不選用 a sm e b pv c2 2d21 表2a/ 表 2b 中的材料時(shí) , 以不超過屈服強(qiáng)度的 2/ 3或抗拉強(qiáng)度的 1/ 4 中的較小值為原則 。a sm e b pv c 規(guī)范對于承壓零件種類有明確的 定義 , 如壓力容器的殼體 、頂蓋和噴嘴 , 管道和管件 , 閥門的體 、蓋和閥瓣 , 泵的殼體和蓋 , 承壓螺栓等零部件為承壓零件 。而閥座 、閥桿 、填料和墊 片都屬于非承壓零件 。承壓零件

13、必須采用 a sm eb pv c2 2d21 表 2a 和表 2b 中的材料制造 , 而非承壓零件的材料沒有強(qiáng)制要求 。對安全閥的閥瓣和 噴嘴 、控制閥的閥瓣和套筒及進(jìn)口尺寸 n ps 2 的管線閥門的閥瓣 , 其零部件的材料不作強(qiáng)制性要 求 。核電閥門的閥桿和承壓螺栓越來越多地采用沉 淀硬化鋼制造 , 如 a sm e sa2564 (棒材) / sa2705 ( 鍛 件 ) 中 的 630 ( 0cr17ni4cu4n b ) 以 及 631 (0cr17ni7al) 。631 并沒有列入 a sm e b pv c 規(guī)范 當(dāng)中 。因?yàn)殚y桿不是作為承壓件 , 可以使用 631 制 造但承

14、壓螺栓如中法蘭螺栓的材料按規(guī)范不能使表 1材料的許用應(yīng)力m pa常溫下設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值1 級常溫下最大許用應(yīng)力值2 級和 3 級抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度材料m pam pa482134471948213413144471948213482134131451618620115851746416482134271244719160151491516015137181491516015160151371817213206171953211816015-11511137181281213718117181281213718137181171814715177111671427516137181151111511

15、a105/ wcb/ l f2l cbl cc/ wcc/ l c2/ l c3l f1l c1wc 6/ wc9f11 2 級f22 1 級f22 3 級c5f6a 2 級17 - 4 p h/ h100 級l f3cn7 m f316l / f304lcf3 m/ cf8 m/ f316/ f304/ cf3/ cf8/ cf8c/ f3212482411227516206172411227516275162061731011413143797921425814172131721348213206171371813718表 2螺栓材料的許用應(yīng)力m pa常溫下設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值1 級常溫下最大許

16、用應(yīng)力值2 級和 3 級直徑范圍 d抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度螺栓材料材料等級in .m pam pa215 d 4d 215215 d 4d 215d 8792148611375719861139641651618516186541672315654167231579214206172061721814241122181424112263196819 ( sol1t reat)6819 ( sol1t reat)15815172131511617213192191291512915b7b7b16/ h 1 100b1617 - 4 p h b8b8mh1100 級1 級1 級 b6 d 4 75719

17、 58517 195 14611 表 4 二級設(shè)備承壓鑄件要求的檢查( 參照表 nc2257121)一般而言 , 需適當(dāng)增加中法蘭厚度和中法蘭螺栓有效截面積 , 以及增加支架的強(qiáng)度和剛性 , 才能 通過抗震計(jì)算 。5無損檢驗(yàn)要求a sm e b pv c2 對 閥 門 承 壓 件 的 無 損 檢 驗(yàn)(nd e) 提出了明確的規(guī)定 。表 3 、表 4 和表 5 分 別列出了一級 、二級和三級設(shè)備的承壓鑄件 ( 閥尺寸nd e 要求n ps 22 4體 、閥蓋和閥瓣)有關(guān)部分) 。的 nd e 要求 ( 僅列出了與閥門表 5 三級設(shè)備承壓鑄件要求的檢查( 參照表 nd2257121)表 3 一級設(shè)

18、備承壓鑄件要求的檢查( 參照表 nb2257121)尺寸nd e 要求n ps 2n ps 2無要求 ,但 asm e b16134 特殊級閥門除外無要求 ,但 asm e b16134 特殊級閥門除外尺寸nd e 要求n ps 22 4注 : m t 磁粉檢驗(yàn) , p t 滲透檢驗(yàn) , r t 射線檢驗(yàn) , u t 超聲2 表表選取并乘以鑄造質(zhì)量因子 ( 參見nd23115) 。有 時(shí) 為 了 設(shè) 計(jì) 和 應(yīng) 力 分 析 的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 ,便于管理 , 以及確保核電閥門的毛坯質(zhì)量 , 對于三 級設(shè)備 , 設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)按二級設(shè)備提出 nd e 要求 。核電閥門承壓鑄件的補(bǔ)焊應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行無損 檢驗(yàn)

19、 。不是設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行計(jì)算 。以及 a sm e b pv c 規(guī)范中沒有明確非核級閥門的許用應(yīng)力如何選取 , 或遵 循什么準(zhǔn)則 , 一種比較容易理解和接受的方法似乎 是按 mc 級設(shè)備選取 ( mc 級設(shè)備的許用應(yīng)力值為 a sm e b pv c2 2d21 表 1a/ 表 1b 數(shù)值的 111 倍) ,但是對于承壓鑄件 , 因?yàn)?mc 級設(shè)備的承壓鑄件按 規(guī)范均有 r t 要求 , 而非核級承壓鑄件一般沒有 r t 要求 , 所以應(yīng)當(dāng)乘以鑄造質(zhì)量因子以作為非核 級承壓鑄件的許用應(yīng)力值 。對于承壓鍛件和承壓螺栓/ 螺母 ,明確了 nd e 要求 。6結(jié)語規(guī)范中同樣本文概述了核電閥門在設(shè)計(jì)中應(yīng)

20、注意的一些問題 , 有的章節(jié)如應(yīng)力計(jì)算和抗震分析等限于篇幅不 能詳細(xì)說明 , 但作為規(guī)則法和等效靜力法的計(jì)算準(zhǔn)則和公式均在 a sm e b pv c 規(guī)范中有較詳細(xì)的說明 。同時(shí) a sm e b pv c 規(guī)范中有些計(jì)算準(zhǔn)則還存 在某些爭議 , 如在計(jì)算一級設(shè)備的殼體壁厚時(shí) , 采 用了與 a sm e b16134 不同的基本內(nèi)徑的定義 , 計(jì)算閥體一次應(yīng)力 、二次應(yīng)力時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算壓力而參考文獻(xiàn)12asm e b pvc 規(guī)范22001 , 第 卷 s.美j . l . 萊昂斯. 閥門技術(shù)手冊 m. 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1991 年.楊 源 泉. 閥 門 設(shè) 計(jì) 手 冊 m

21、. 北 京 : 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ,1992 .( 收稿日期 : 2005103114)3( 上接第 6 頁)4研制在樣機(jī)的試制過程中 ,題 ,使組件的整體性能滿足使用要求 。5試驗(yàn)根據(jù)產(chǎn)品檢驗(yàn)與試驗(yàn)大綱, 對法蘭青銅波 紋管截止閥進(jìn)行了殼體強(qiáng)度水壓試驗(yàn) 、液壓密封試驗(yàn) , 無泄漏 。對波紋管組件的疲勞壽命試驗(yàn)考核到9 100 次 。2003 年 3 月 , 經(jīng) 委 托 國 家 級 權(quán) 威 檢 測 機(jī) 構(gòu) “機(jī)械工業(yè)通用機(jī)械產(chǎn)品檢測所”下屬 “機(jī)械工業(yè)閥門 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 監(jiān) 督 檢 測 中 心 ”, 根 據(jù) gb/ t 58721993 、gb 600291 和 j b/ t 90

22、9221999 等標(biāo)準(zhǔn) , 對樣 機(jī)進(jìn)行了整機(jī)性能試驗(yàn) 。在模擬閥門實(shí)際工作狀況下 , 經(jīng)過 5 000 次的開關(guān)試驗(yàn)后 , 波紋管組件完好無損 。閥門性能及各項(xiàng)指標(biāo)值達(dá)到設(shè)計(jì)要求 。6結(jié)語法蘭青銅截止閥加裝波紋管防泄漏研究 , 不但 填補(bǔ)了我國沒有法蘭青銅波紋管截止閥這一空白 ,而且在關(guān)鍵技術(shù) 銅材質(zhì)波紋管組件制造上取得了突破 。經(jīng)國家級權(quán)威部門檢測認(rèn)定 , 該閥門完全 可以替代 gb/ t 58721993 法蘭青銅波紋管截止閥 。該項(xiàng)目產(chǎn)品不但解決了閥門存在的外漏問題 , 而且符合清潔環(huán)境的要求 , 同時(shí)節(jié)省了大量的維護(hù)費(fèi)主要有閥體鑄造 、波紋管成型和波紋管組件焊接等關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn) 。(1) 閥體鑄造傳統(tǒng)的 gb/ t 58721993 型號的閥門 , 閥體和閥蓋采用砂型鑄造 , 閥體的外觀 、鑄造外型精度和內(nèi)腔光潔度等很難達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要