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(yīng)該遵守壓力容器設(shè)計法規(guī)相比圓筒、球殼、封頭等壓力容器，閥體的結(jié)構(gòu)形狀相對復(fù)雜，計算時應(yīng)考慮的因素也比較多。目前，壓力容器設(shè)計所采用的標(biāo)準(zhǔn)有兩大類，一種是按規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(Designbyrule)通常稱為“規(guī)則設(shè)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(dāng)?shù)耐晟坪统墒欤瑫r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(jìn)行設(shè)計(Designbyanalysis,)，通常稱為“分析設(shè)計”，即第三強度理論作為基礎(chǔ)，以JB4732為代表，通常以有限元分析理論作為計算方法

2、。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)出較為簡單的適合于工程應(yīng)用的計算公式，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，對局部應(yīng)力集中，邊緣效應(yīng)或循環(huán)應(yīng)力等均不作計算，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，以長期實踐經(jīng)驗為依據(jù)而建立的一項標(biāo)準(zhǔn)，一般稱之為常規(guī)設(shè)計標(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、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它的要求越來越嚴(yán)峻。從實踐中發(fā)現(xiàn)“常規(guī)設(shè)計”存在

3、一些不能滿足設(shè)計要求之處，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，由于試驗技術(shù)與計算技術(shù)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(yīng)力集中系數(shù)往往可達(dá)到3-10,此時，若按最大應(yīng)力點進(jìn)入塑性就算失效就顯得過于保守，因為結(jié)構(gòu)上有很大的承載能力；若不考慮從應(yīng)力集中制按簡化公式進(jìn)行設(shè)計又不安全，應(yīng)力集中區(qū)將可能出現(xiàn)裂紋。2 .對于高溫情況，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(biāo)準(zhǔn)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))對壁厚的

4、要求也屬這類問題(強度與柔性的矛盾)，若按常規(guī)設(shè)計的原則與方法，就無法得到合理的設(shè)計。3 .在實際運行的設(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。基于一次凈力加載分析的常規(guī)設(shè)計和產(chǎn)品水壓試驗都不能對此作出合理的評定與預(yù)防?！胺治鲈O(shè)計”從設(shè)計思想上來說，就是放棄了傳統(tǒng)的“彈性實效準(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)，允許對峰值應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計。采用這個準(zhǔn)則，可以較好地理解前述的矛盾，合理地放松了對設(shè)計應(yīng)力過嚴(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”是以彈塑性失效

5、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)力強度。對塑性金屬而言，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。“分析設(shè)計”要求對容器所需部位的應(yīng)力作詳細(xì)計算，并根據(jù)應(yīng)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(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，對各類應(yīng)力及其組合的當(dāng)量應(yīng)力給以不同的限制。對一次應(yīng)力的限制是防止過度的彈性變形和延性破壞，對一次應(yīng)力加二次應(yīng)力強度的限制是防止塑性變形引起的增量破壞，對峰值應(yīng)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(shè)計的

6、特殊要求在核級閥門的設(shè)計計算中，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NB分卷，NB3500規(guī)定了核一級閥門的合格標(biāo)準(zhǔn)，NC、ND分卷規(guī)定了核二、三級閥門的合格要求。其中ASMEIIINB分卷的核心是采用第三強度理論，使用分析設(shè)計方法對壓力容器進(jìn)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(yīng)等載荷條件。將壓力容器所處的工作環(huán)境分為設(shè)計基準(zhǔn)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(yīng)不同的設(shè)計輸入載荷和條件，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。每種工

7、況下分別評價承壓部件的薄膜應(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)計應(yīng)力強度值。3 .研究目的和意義綜上所述，本文預(yù)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(jìn)行一個完整的有限元應(yīng)力分析計算。在分析過程中，選擇閘閥為模型，有如下優(yōu)點：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)計方法對閘閥進(jìn)行設(shè)計計算的案例為數(shù)眾多。而本文使用分析設(shè)計的方法對閘閥進(jìn)行一個全新的分析計算，更能體現(xiàn)本文的價值。閘閥的外伸機構(gòu)（包含支架、驅(qū)動機構(gòu)等部分）較長，固有頻率相對較低。在進(jìn)行抗地震分析時，閘閥的固有頻率比較接近地震頻率，計算結(jié)果更加

8、直觀，地震應(yīng)變云圖比較接近通過抽象得出的結(jié)論。針對此閘閥的設(shè)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ASMEQME-1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行真機的型式試驗鑒定。屆時，可將樣機的試驗結(jié)果同分析計算的結(jié)果進(jìn)行對比，通過樣機的試驗數(shù)據(jù)驗證本文分析計算的結(jié)果是否真實、準(zhǔn)確。在國內(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)過了解，這兩家閥門廠的設(shè)計計算都是使用經(jīng)驗公式的方法進(jìn)行設(shè)計，制造試驗樣機進(jìn)行設(shè)計鑒定。而本文使用有限元的方法進(jìn)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ANSYSWorkbench12.0軟件進(jìn)行計算。鑒于國內(nèi)介紹ANSYSWorkb

9、ench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算的工程師提供一個標(biāo)準(zhǔn)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(zé)任公司哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（以下簡稱哈鍋）隸屬于哈爾濱動力設(shè)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(shè)計開發(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)計開發(fā)。通過了解，輔機設(shè)計處使用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)已經(jīng)有十幾年的歷史，最早版本為ANSYS5.4曾發(fā)表過用ANSYS計算等徑三通熱應(yīng)力等文獻(xiàn)和計算、驗證報告。在ASMEN認(rèn)證過程

10、中，輔機設(shè)計處使用ANSY歌件對模擬件進(jìn)行了分析計算，使用ASMEIIINB分卷提供的公式進(jìn)行了設(shè)計驗證?，F(xiàn)哈鍋已經(jīng)通過了美國ASME協(xié)會的聯(lián)檢并取得ASMEN認(rèn)證。2007年，哈鍋升級ANSYS1欠件到ANSYSWorkbench10.0版本。使用新軟件對秦山二期汽水分離再熱器（MSR）進(jìn)行了設(shè)計計算，分析計算報告名稱為：DesignReportForDrainTankOfQINSHANPhaseIIForNuclearPowerQINSHANJointVenture.Co.LTD。分別評定了設(shè)計基準(zhǔn)、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

11、造完成并發(fā)往用戶現(xiàn)場。分析報告中考慮了內(nèi)壓、關(guān)閉試驗壓力、反作用力、地震載荷等載荷的作用，分別進(jìn)行了設(shè)計工況、緊急工況、水壓試驗工況的分析，評價了總體薄膜應(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。韓國SDD公司韓國SystemD&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)計核電站發(fā)電設(shè)備、各種試驗設(shè)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(shè)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)過了角韓國SDD公司具有如下所述的設(shè)計研發(fā)能力：結(jié)構(gòu)分析(StructureAnalysi

12、s)依據(jù)ASME、KEPIC的要求，應(yīng)用ANSYSNASTRA明口LS-DYNA手段，通過分析包括操作力在內(nèi)的負(fù)荷組合分布，檢查并驗證由于負(fù)荷可能產(chǎn)生的位移等，從而確認(rèn)設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性和符合性。抗震分析(SeismicAnalysis通過對調(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33HZ時，抗地震載荷及結(jié)構(gòu)完整性。流體分析(CFDAnalysis采用ANSYSCFX口Fluent,對閥體、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EngineeringexpertiseOvertheyears,Velanhasbroughttogetherastron

13、gteamofprofessionalengineerswithextensiveexperienceincriticalapplicationsincriticalapplications.UsingadvancedsoftwareapplicationsincludingFiniteElementAnalysis(FEA),ComputationalFluidDynamics(CFD),and3DSolid-modeling,Velan'sengineersdesignsuperiorqualityvalvesthatmeetthemostdemandingperformancer

14、equirements.theirR&Dfacilities,equippedwithsteamboilers,superheaters,flowloops,andcryogenicteststands,enablethemtoruncomperhensivetestingprograms.Velanalsohasalong-standinghistoryofpartneringwithmajorarchitects/engineersandenduserstodevelopinnovativesolutionsfortheirvalvingneeds.Stresscalculatio

15、nsaredoneusing3DFiniteElementAnalysis(FEA)software,likeANSYSandPro/Mechanica,with3DmodelsdevelopedinPro-Engineer.2010年6月，VELAN公司獲得重要核級控制閥訂單Velanhasbeenawardedanimportantcontractvaluedatover$6millionwithCNPECfor124bellowssealcontrolvalves(DN8toDN300)fortwothird-generationEPRplantsinTaishan,People'

16、;sRepublicofChina.三、論文主要內(nèi)容首先對第三強度理論、規(guī)則設(shè)計與分析設(shè)計在設(shè)計方法上的區(qū)別、應(yīng)力的分類及評定、進(jìn)行簡要的描述。參考美國SPX公司的爆破閥技術(shù)規(guī)范，模擬一個核一級閘閥的設(shè)計技術(shù)規(guī)范，確定設(shè)計分析的初始輸入條件。使用Solidworks2010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(jìn)行簡化和修改。使用ANSYSt件對核一級閥門進(jìn)行設(shè)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(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。對閥門流體動力學(xué)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(xué)參數(shù)。根據(jù)閥體的應(yīng)力分析結(jié)果，對閥體等主要零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計計算。在滿足強度的條件下,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)計以爆破閥為例，學(xué)習(xí)美國SPX