閥體強度分析方法研究

1、核級閥門閥體強度分析方法研究一、論文的目的和意義1.理論依據(jù)閥門中的閥體、閥蓋、閥瓣等零件均屬于承壓部件，計算時應該遵守壓力容器設計法規(guī)。相比圓筒、球殼、封頭等壓力容器，閥體的結構形狀相對復雜，計算時應考慮的因素也比較多。目前，壓力容器設計所采用的標準有兩大類，一種是按規(guī)則進行設計（Design by rule）通常稱為“規(guī)則設計” ，即第一強度理論，以GB150為代表，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)相當?shù)耐晟坪统墒?，同時有數(shù)十年的安全使用業(yè)績作為支撐。另一種是按分析進行設計（Design by analysis）,通常稱為“分析設計”，即第三強度理論作為基礎，以JB4732為代表，通常以有限元分析理論作

2、為計算方法。傳統(tǒng)的壓力容器標準與規(guī)范，它是以彈性失效理論為基礎，導出較為簡單的適合于工程應用的計算公式，求出容器在載荷作用下的最大主應力，將其限制在許用值以內(nèi)，即可確定容器的壁厚，對容器局部區(qū)域的應力、高應力區(qū)則以具體的結構形式限制，在計算公式中引入適當?shù)南禂?shù)或降低許用應力的方法等予以控制，對局部應力集中，邊緣效應或循環(huán)應力等均不作計算，這是一種以彈性失效準則按最大主應力理論導出的，以長期實踐經(jīng)驗為依據(jù)而建立的一項標準，一般稱之為常規(guī)設計標準。在標準所規(guī)定的使用范圍內(nèi)，按標準要求所設計、制造的容器是安全可靠的。然而，隨著科學技術的進步，容器的使用條件以及對它的要求越來越嚴峻。從實踐中發(fā)現(xiàn)“常規(guī)

3、設計”存在一些不能滿足設計要求之處，主要有：1.工程結構中的應力分布大多數(shù)是不均勻的，由于試驗技術與計算技術的發(fā)展，對于局部幾何不連續(xù)處按精確的彈性理論或有限元法所得到的應力集中系數(shù)往往可達到3-10，此時，若按最大應力點進入塑性就算失效就顯得過于保守，因為結構上有很大的承載能力；若不考慮從應力集中制按簡化公式進行設計又不安全，應力集中區(qū)將可能出現(xiàn)裂紋。2.對于高溫情況，要把熱應力控制在傳統(tǒng)標準允許的水平之下有時是做不到的，在高溫、高壓的容器中熱應力與內(nèi)壓力之和已超過傳統(tǒng)的允許值，無論加厚或減薄壁厚均不能滿足傳統(tǒng)標準要求，因為二者對壁厚大小的要求是相反的。對于一些彈性元件（如波紋管、膨脹節(jié)）對

4、壁厚的要求也屬這類問題（強度與柔性的矛盾），若按常規(guī)設計的原則與方法，就無法得到合理的設計。3.在實際運行的設備中，出現(xiàn)的疲勞裂紋是反復加載條件下結構的一種破壞形式?；谝淮蝺袅虞d分析的常規(guī)設計和產(chǎn)品水壓試驗都不能對此作出合理的評定與預防?！胺治鲈O計”從設計思想上來說，就是放棄了傳統(tǒng)的“彈性實效準則”。而采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為界限的“塑性失效”與“彈塑性失效”準則，允許結構出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對峰值應力部位作有限壽命設計。采用這個準則，可以較好地理解前述的矛盾，合理地放松了對設計應力過嚴的限制，適當?shù)靥岣吡嗽S用應力值，但又嚴格地保證了結構的安全性?！胺治鲈O計”是以彈塑性

5、失效準則為理論基礎，應用極限分析和安定性原理，允許容器材料局部屈服，采用最大剪應力理論，以主應力差的最大值作為容器發(fā)生垮塌和破壞的依據(jù)，即稱之為應力強度。對塑性金屬而言，用最大剪應力理論判斷屈服和疲勞失效比用最大主應力理論更為合理。“分析設計”要求對容器所需部位的應力作詳細計算，并根據(jù)應力在容器上的分布、產(chǎn)生的方式以及對容器失效所起作用的差異分為一次應力、二次應力和峰值應力，對各類應力及其組合的當量應力給以不同的限制。對一次應力的限制是防止過度的彈性變形和延性破壞，對一次應力加二次應力強度的限制是防止塑性變形引起的增量破壞，對峰值應力強度的限制是防止由周期性載荷引起的疲勞破壞。2.核級閥門設計

6、的特殊要求在核級閥門的設計計算中，需要遵守ASME、RCCM等法規(guī)。ASME核電規(guī)范與標準BPVC-III核設施部件建造規(guī)則第一冊NB分卷，NB3500規(guī)定了核一級閥門的合格標準，NC、ND分卷規(guī)定了核二、三級閥門的合格要求。其中ASME III NB分卷的核心是采用第三強度理論，使用分析設計方法對壓力容器進行分析計算。在計算中考慮了內(nèi)壓、自重、管道反作用力、地震載荷、溫度效應等載荷條件。將壓力容器所處的工作環(huán)境分為設計基準工況、運行工況、緊急工況、事故工況、水壓試驗等5種類型，每種工況分別對應不同的設計輸入載荷和條件，合格依據(jù)也制定了詳細的判定標準。其中，載荷工況與應力限制的關系如表1所示。

7、每種工況下分別評價承壓部件的薄膜應力、彎曲應力、一次應力、二次應力、峰值應力、熱應力、總應力是否滿足所使用材料的設計應力強度值。3.研究目的和意義綜上所述，本文預計使用第三強度理論，按照ASME法規(guī)第三卷要求，以一個核一級閘閥為例，進行一個完整的有限元應力分析計算。在分析過程中，選擇閘閥為模型，有如下優(yōu)點：m 閘閥為電廠中普遍使用的產(chǎn)品，為大眾所熟知。使用常規(guī)設計方法對閘閥進行設計計算的案例為數(shù)眾多。而本文使用分析設計的方法對閘閥進行一個全新的分析計算，更能體現(xiàn)本文的價值。m 閘閥的外伸機構（包含支架、驅動機構等部分）較長，固有頻率相對較低。在進行抗地震分析時，閘閥的固有頻率比較接近地震頻率，

8、計算結果更加直觀，地震應變云圖比較接近通過抽象得出的結論。m 針對此閘閥的設計圖紙，哈電閥門公司已經(jīng)生產(chǎn)制造出試驗樣機，即將按照ASME QME-1的標準進行真機的型式試驗鑒定。屆時，可將樣機的試驗結果同分析計算的結果進行對比，通過樣機的試驗數(shù)據(jù)驗證本文分析計算的結果是否真實、準確。在國內(nèi)，已經(jīng)取得ASME認證的閥門企業(yè)只有中核蘇閥和大連大高閥門公司。經(jīng)過了解，這兩家閥門廠的設計計算都是使用經(jīng)驗公式的方法進行設計，制造試驗樣機進行設計鑒定。而本文使用有限元的方法進行分析，將填補國內(nèi)核級閥門分析計算的空白。在分析過程中，使用新版本的ANSYS Workbench12.0軟件進行計算。鑒于國內(nèi)介紹

9、ANSYS Workbench的書籍較少，因此，本文在分析中較詳細的介紹了軟件的使用方法及操作步驟，也可為希望從事閥門有限元分析計算的工程師提供一個標準的分析計算模板。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀哈爾濱鍋爐廠有限責任公司哈爾濱鍋爐廠有限責任公司（以下簡稱哈鍋）隸屬于哈爾濱動力設備股份有限公司，位于哈爾濱市香坊區(qū)三大動力路309號。哈鍋下屬的輔機容器設計開發(fā)處主要負責鍋爐低加、高加蓄熱器、除氧器和核電站汽水分離再熱器、除氧器、高加等輔助設備的設計開發(fā)。通過了解，輔機設計處使用ANSYS軟件進行設計開發(fā)已經(jīng)有十幾年的歷史，最早版本為ANSYS 5.4，曾發(fā)表過用ANSYS計算等徑三通熱應力等文獻和計算、驗證

10、報告。在ASME N認證過程中，輔機設計處使用ANSYS軟件對模擬件進行了分析計算，使用ASME III NB分卷提供的公式進行了設計驗證。現(xiàn)哈鍋已經(jīng)通過了美國ASME協(xié)會的聯(lián)檢并取得ASME N認證。2007年，哈鍋升級ANSYS軟件到ANSYS Workbench 10.0版本。使用新軟件對秦山二期汽水分離再熱器（MSR）進行了設計計算，分析計算報告名稱為：。 分別評定了設計基準、運行、緊急、水壓試驗四種工況，考慮了內(nèi)壓、地震、接管反作用力等載荷?，F(xiàn)今，MSR已經(jīng)生產(chǎn)制造完成并發(fā)往用戶現(xiàn)場。 分析報告中考慮了內(nèi)壓、關閉試驗壓力、反作用力、地震載荷等載荷的作用，分別進行了設計工況、緊急工況、

11、水壓試驗工況的分析，評價了總體薄膜應力、局部薄膜應力、一次和二次應力、峰值應力。最終的審核已經(jīng)由RPE簽字通過。韓國SDD公司韓國System D&D有限公司創(chuàng)立于2002年，是給發(fā)電站及產(chǎn)業(yè)設備提供綜合性工程解決方案的公司，是具備設計核電站發(fā)電設備、各種試驗設備生產(chǎn)及運營、工程部門和高溫、高壓、高壓差用調(diào)節(jié)閥的設計和生產(chǎn)部門的重點發(fā)展型企業(yè)。公司網(wǎng)址為：www.system-。經(jīng)過了解，韓國SDD公司具有如下所述的設計研發(fā)能力：m 結構分析（Structure Analysis）依據(jù)ASME、KEPIC的要求，應用ANSYS、NASTRAN和LS-DYNA手段，通過分析包括操作力在內(nèi)

12、的負荷組合分布，檢查并驗證由于負荷可能產(chǎn)生的位移等，從而確認設計結構的可靠性和符合性。m 抗震分析（Seismic Analysis）通過對調(diào)節(jié)閥結構形狀以及采用的不同材料組合分析，從而確定其固有頻率超過33HZ時，抗地震載荷及結構完整性。m 流體分析（CFD Analysis）采用ANSYS CFX和Fluent，對閥體、閥座和閥瓣在不同介質流速、壓力情況下進行分析。VELAN公司Engineering expertiseOver the years,Velan has brought together a strong team of professional engineers with

13、 extensive experience in critical applications in critical applications.Using advanced software applications including Finite Element Analysis(FEA),Computational Fluid Dynamics(CFD),and 3D Solid-modeling,Velans engineers design superior quality valves that meet the most demanding performance require

14、ments.their R&D facilities,equipped with steam boilers,superheaters,flow loops,and cryogenic test stands,enable them to run comperhensive testing programs.Velan also has a long-standing history of partnering with major architects/engineers and end users to develop innovative solutions for their

15、valving needs.Stress calculations are done using 3D Finite Element Analysis(FEA) software,like ANSYS and Pro/Mechanica,with 3D models developed in Pro-Engineer.2010年6月，VELAN公司獲得重要核級控制閥訂單Velan has been awarded an important contract valued at over $6 million with CNPEC for 124 bellows seal control val

16、ves (DN 8 to DN 300) for two third-generation EPR plants in Taishan, People's Republic of China.三、論文主要內(nèi)容首先對第三強度理論、規(guī)則設計與分析設計在設計方法上的區(qū)別、應力的分類及評定、進行簡要的描述。參考美國SPX公司的爆破閥技術規(guī)范，模擬一個核一級閘閥的設計技術規(guī)范，確定設計分析的初始輸入條件。使用Solidworks 2010軟件建立核一級閘閥的立體模型，同時根據(jù)累積經(jīng)驗對立體模型進行簡化和修改。使用ANSYS軟件對核一級閥門進行設計工況、A、B、C、D、試驗工況等六種工況下的有限元分析計算，考核閥門的固有頻率及抗地震性能、薄膜應力、薄膜加彎曲應力、峰值應力、熱應力、總應力。之后進行疲勞分析和瞬態(tài)分析。對閥門流體動力學分析做簡要的介紹，考慮閥體內(nèi)腔的壓力場分布、速度場分布、流量場分布等流體力學參數(shù)。根據(jù)閥體的應力分析結果，對閥體等主要零件進行優(yōu)化設計計算。在滿足強度的條件下，為閥門減輕重量。四、論文預期結果哈電閥門公司已經(jīng)正式成為AP1000機組爆破閥的技術承讓單位之一，技術規(guī)格書、圖紙等資料已經(jīng)轉讓完畢。本文預計以爆破閥為例，學習