閥體強(qiáng)度分析方法研究

1、核級(jí)閥門閥體強(qiáng)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(jì)算時(shí)應(yīng)該遵守壓力容器設(shè)計(jì)法規(guī)。相比圓筒、球殼、封頭等壓力容器，閥體的結(jié)構(gòu)形狀相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮的因素也比較多。目前，壓力容器設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)準(zhǔn)有兩大類，一種是按規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)（Design by rule）通常稱為“規(guī)則設(shè)計(jì)” ，即第一強(qiáng)度理論，以GB150為代表，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)?shù)耐晟坪统墒欤瑫r(shí)有數(shù)十年的安全使用業(yè)績(jī)作為支撐。另一種是按分析進(jìn)行設(shè)計(jì)（Design by analysis）,通常稱為“分析設(shè)計(jì)”，即第三強(qiáng)度理論作為基礎(chǔ)，以JB4732為代表，通常以有限元分析理論作

2、為計(jì)算方法。傳統(tǒng)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，它是以彈性失效理論為基礎(chǔ)，導(dǎo)出較為簡(jiǎn)單的適合于工程應(yīng)用的計(jì)算公式，求出容器在載荷作用下的最大主應(yīng)力，將其限制在許用值以內(nèi)，即可確定容器的壁厚，對(duì)容器局部區(qū)域的應(yīng)力、高應(yīng)力區(qū)則以具體的結(jié)構(gòu)形式限制，在計(jì)算公式中引入適當(dāng)?shù)南禂?shù)或降低許用應(yīng)力的方法等予以控制，對(duì)局部應(yīng)力集中，邊緣效應(yīng)或循環(huán)應(yīng)力等均不作計(jì)算，這是一種以彈性失效準(zhǔn)則按最大主應(yīng)力理論導(dǎo)出的，以長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而建立的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，一般稱之為常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的使用范圍內(nèi)，按標(biāo)準(zhǔn)要求所設(shè)計(jì)、制造的容器是安全可靠的。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，容器的使用條件以及對(duì)它的要求越來(lái)越嚴(yán)峻。從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)“常規(guī)

3、設(shè)計(jì)”存在一些不能滿足設(shè)計(jì)要求之處，主要有：1.工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布大多數(shù)是不均勻的，由于試驗(yàn)技術(shù)與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(yīng)力集中系數(shù)往往可達(dá)到3-10，此時(shí)，若按最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)入塑性就算失效就顯得過(guò)于保守，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上有很大的承載能力；若不考慮從應(yīng)力集中制按簡(jiǎn)化公式進(jìn)行設(shè)計(jì)又不安全，應(yīng)力集中區(qū)將可能出現(xiàn)裂紋。2.對(duì)于高溫情況，要把熱應(yīng)力控制在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)允許的水平之下有時(shí)是做不到的，在高溫、高壓的容器中熱應(yīng)力與內(nèi)壓力之和已超過(guò)傳統(tǒng)的允許值，無(wú)論加厚或減薄壁厚均不能滿足傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，因?yàn)槎邔?duì)壁厚大小的要求是相反的。對(duì)于一些彈性元件（如波紋管、膨脹節(jié)）對(duì)

4、壁厚的要求也屬這類問(wèn)題（強(qiáng)度與柔性的矛盾），若按常規(guī)設(shè)計(jì)的原則與方法，就無(wú)法得到合理的設(shè)計(jì)。3.在實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備中，出現(xiàn)的疲勞裂紋是反復(fù)加載條件下結(jié)構(gòu)的一種破壞形式?；谝淮蝺袅虞d分析的常規(guī)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品水壓試驗(yàn)都不能對(duì)此作出合理的評(píng)定與預(yù)防。“分析設(shè)計(jì)”從設(shè)計(jì)思想上來(lái)說(shuō)，就是放棄了傳統(tǒng)的“彈性實(shí)效準(zhǔn)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(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對(duì)峰值應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計(jì)。采用這個(gè)準(zhǔn)則，可以較好地理解前述的矛盾，合理地放松了對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)力過(guò)嚴(yán)的限制，適當(dāng)?shù)靥岣吡嗽S用應(yīng)力值，但又嚴(yán)格地保證了結(jié)構(gòu)的安全性?！胺治鲈O(shè)計(jì)”是以彈塑性

5、失效準(zhǔn)則為理論基礎(chǔ)，應(yīng)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(yīng)力理論，以主應(yīng)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(yīng)力強(qiáng)度。對(duì)塑性金屬而言，用最大剪應(yīng)力理論判斷屈服和疲勞失效比用最大主應(yīng)力理論更為合理?！胺治鲈O(shè)計(jì)”要求對(duì)容器所需部位的應(yīng)力作詳細(xì)計(jì)算，并根據(jù)應(yīng)力在容器上的分布、產(chǎn)生的方式以及對(duì)容器失效所起作用的差異分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，對(duì)各類應(yīng)力及其組合的當(dāng)量應(yīng)力給以不同的限制。對(duì)一次應(yīng)力的限制是防止過(guò)度的彈性變形和延性破壞，對(duì)一次應(yīng)力加二次應(yīng)力強(qiáng)度的限制是防止塑性變形引起的增量破壞，對(duì)峰值應(yīng)力強(qiáng)度的限制是防止由周期性載荷引起的疲勞破壞。2.核級(jí)閥門設(shè)計(jì)

6、的特殊要求在核級(jí)閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要遵守ASME、RCCM等法規(guī)。ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)BPVC-III核設(shè)施部件建造規(guī)則第一冊(cè)NB分卷，NB3500規(guī)定了核一級(jí)閥門的合格標(biāo)準(zhǔn)，NC、ND分卷規(guī)定了核二、三級(jí)閥門的合格要求。其中ASME III NB分卷的核心是采用第三強(qiáng)度理論，使用分析設(shè)計(jì)方法對(duì)壓力容器進(jìn)行分析計(jì)算。在計(jì)算中考慮了內(nèi)壓、自重、管道反作用力、地震載荷、溫度效應(yīng)等載荷條件。將壓力容器所處的工作環(huán)境分為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況、運(yùn)行工況、緊急工況、事故工況、水壓試驗(yàn)等5種類型，每種工況分別對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)輸入載荷和條件，合格依據(jù)也制定了詳細(xì)的判定標(biāo)準(zhǔn)。其中，載荷工況與應(yīng)力限制的關(guān)系如表1所示。

7、每種工況下分別評(píng)價(jià)承壓部件的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力、熱應(yīng)力、總應(yīng)力是否滿足所使用材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值。3.研究目的和意義綜上所述，本文預(yù)計(jì)使用第三強(qiáng)度理論，按照ASME法規(guī)第三卷要求，以一個(gè)核一級(jí)閘閥為例，進(jìn)行一個(gè)完整的有限元應(yīng)力分析計(jì)算。在分析過(guò)程中，選擇閘閥為模型，有如下優(yōu)點(diǎn)：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(shè)計(jì)方法對(duì)閘閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的案例為數(shù)眾多。而本文使用分析設(shè)計(jì)的方法對(duì)閘閥進(jìn)行一個(gè)全新的分析計(jì)算，更能體現(xiàn)本文的價(jià)值。m 閘閥的外伸機(jī)構(gòu)（包含支架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分）較長(zhǎng)，固有頻率相對(duì)較低。在進(jìn)行抗地震分析時(shí)，閘閥的固有頻率比較接近地震頻率，

8、計(jì)算結(jié)果更加直觀，地震應(yīng)變?cè)茍D比較接近通過(guò)抽象得出的結(jié)論。m 針對(duì)此閘閥的設(shè)計(jì)圖紙，哈電閥門公司已經(jīng)生產(chǎn)制造出試驗(yàn)樣機(jī)，即將按照ASME QME-1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行真機(jī)的型式試驗(yàn)鑒定。屆時(shí)，可將樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果同分析計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文分析計(jì)算的結(jié)果是否真實(shí)、準(zhǔn)確。在國(guó)內(nèi)，已經(jīng)取得ASME認(rèn)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(guò)了解，這兩家閥門廠的設(shè)計(jì)計(jì)算都是使用經(jīng)驗(yàn)公式的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)鑒定。而本文使用有限元的方法進(jìn)行分析，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)核級(jí)閥門分析計(jì)算的空白。在分析過(guò)程中，使用新版本的ANSYS Workbench12.0軟件進(jìn)行計(jì)算。鑒于國(guó)內(nèi)介紹

9、ANSYS Workbench的書籍較少，因此，本文在分析中較詳細(xì)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(jì)算的工程師提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分析計(jì)算模板。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱哈鍋）隸屬于哈爾濱動(dòng)力設(shè)備股份有限公司，位于哈爾濱市香坊區(qū)三大動(dòng)力路309號(hào)。哈鍋下屬的輔機(jī)容器設(shè)計(jì)開發(fā)處主要負(fù)責(zé)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(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)。通過(guò)了解，輔機(jī)設(shè)計(jì)處使用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(guò)用ANSYS計(jì)算等徑三通熱應(yīng)力等文獻(xiàn)和計(jì)算、驗(yàn)證

10、報(bào)告。在ASME N認(rèn)證過(guò)程中，輔機(jī)設(shè)計(jì)處使用ANSYS軟件對(duì)模擬件進(jìn)行了分析計(jì)算，使用ASME III NB分卷提供的公式進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證?，F(xiàn)哈鍋已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)ASME協(xié)會(huì)的聯(lián)檢并取得ASME N認(rèn)證。2007年，哈鍋升級(jí)ANSYS軟件到ANSYS Workbench 10.0版本。使用新軟件對(duì)秦山二期汽水分離再熱器（MSR）進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，分析計(jì)算報(bào)告名稱為：。 分別評(píng)定了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、運(yùn)行、緊急、水壓試驗(yàn)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(chǎng)。 分析報(bào)告中考慮了內(nèi)壓、關(guān)閉試驗(yàn)壓力、反作用力、地震載荷等載荷的作用，分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)工況、緊急工況、

11、水壓試驗(yàn)工況的分析，評(píng)價(jià)了總體薄膜應(yīng)力、局部薄膜應(yīng)力、一次和二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力。最終的審核已經(jīng)由RPE簽字通過(guò)。韓國(guó)SDD公司韓國(guó)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(shè)備提供綜合性工程解決方案的公司，是具備設(shè)計(jì)核電站發(fā)電設(shè)備、各種試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)營(yíng)、工程部門和高溫、高壓、高壓差用調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門的重點(diǎn)發(fā)展型企業(yè)。公司網(wǎng)址為：www.system-。經(jīng)過(guò)了解，韓國(guó)SDD公司具有如下所述的設(shè)計(jì)研發(fā)能力：m 結(jié)構(gòu)分析（Structure Analysis）依據(jù)ASME、KEPIC的要求，應(yīng)用ANSYS、NASTRAN和LS-DYNA手段，通過(guò)分析包括操作力在內(nèi)

12、的負(fù)荷組合分布，檢查并驗(yàn)證由于負(fù)荷可能產(chǎn)生的位移等，從而確認(rèn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性和符合性。m 抗震分析（Seismic Analysis）通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)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(guò)33HZ時(shí)，抗地震載荷及結(jié)構(gòu)完整性。m 流體分析（CFD Analysis）采用ANSYS CFX和Fluent，對(duì)閥體、閥座和閥瓣在不同介質(zhì)流速、壓力情況下進(jìn)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(jí)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(duì)第三強(qiáng)度理論、規(guī)則設(shè)計(jì)與分析設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)方法上的區(qū)別、應(yīng)力的分類及評(píng)定、進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。參考美國(guó)SPX公司的爆破閥技術(shù)規(guī)范，模擬一個(gè)核一級(jí)閘閥的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，確定設(shè)計(jì)分析的初始輸入條件。使用Solidworks 2010軟件建立核一級(jí)閘閥的立體模型，同時(shí)根據(jù)累積經(jīng)驗(yàn)對(duì)立體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和修改。使用ANSYS軟件對(duì)核一級(jí)閥門進(jìn)行設(shè)計(jì)工況、A、B、C、D、試驗(yàn)工況等六種工況下的有限元分析計(jì)算，考核閥門的固有頻率及抗地震性能、薄膜應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力、熱應(yīng)力、總應(yīng)力。之后進(jìn)行疲勞分析和瞬態(tài)分析。對(duì)閥門流體動(dòng)力學(xué)分析做簡(jiǎn)要的介紹，考慮閥體內(nèi)腔的壓力場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布、流量場(chǎng)分布等流體力學(xué)參數(shù)。根據(jù)閥體的應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)閥體等主要零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。在滿足強(qiáng)度的條件下，為閥門減輕重量。四、論文預(yù)期結(jié)果哈電閥門公司已經(jīng)正式成為AP1000機(jī)組爆破閥的技術(shù)承讓單位之一，技術(shù)規(guī)格書、圖紙等資料已經(jīng)轉(zhuǎn)讓完畢。本文預(yù)計(jì)以爆破閥為例，學(xué)習(xí)