阀体强度分析方法研究

核级阀门阀体强度分析方法研究
一、论文的目的和意义
1.理论依据
阀门中的阀体、阀盖、阀瓣等零件均属于承压部件，计算时应该遵守压力容器设计法规。

相比圆筒、球壳、封头等压力容器，阀体的结构形状相对复杂，计算时应考虑的因素也比较多。

目前，压力容器设计所采用的标准有两大类，一种是按规则进行设计（Design by rule）通常称为“规则设计”，即第一强度理论，以GB150为代表，经过多年的发展已经相当的完善和成熟，同时有数十年的安全使用业绩作为支撑。

另一种是按分析进行设计（Design by analysis）,通常称为“分析设计”，即第三强度理论作为基础，以JB4732为代表，通常以有限元分析理论作为计算方法。

传统的压力容器标准与规范，它是以弹性失效理论为基础，导出较为简单的适合于工程应用的计算公式，求出容器在载荷作用下的最大主应力，将其限制在许用值以内，即可确定容器的壁厚，对容器局部区域的应力、高应力区则以具体的结构形式限制，在计算公式中引入适当的系数或降低许用应力的方法等予以控制，对局部应力集中，边缘效应或循环应力等均不作计算，这是一种以弹性失效准则按最大主应力理论导出的，以长期实践经验为依据而建立的一项标准，一般称之为常规设计标准。

在标准所规定的使用范围内，按标准要求所设计、制造的容器是安全可靠的。

然而，随着科学技术的进步，容器的使用条件以及对它的要求越来越严峻。

从实践中发现“常规设计”存在一些不能满足设计要求之处，主要有：
1.工程结构中的应力分布大多数是不均匀的，由于试验技术与计算技术的发展，对于局部几何不连续处按精确的弹性理论或有限元法所得到的应力集中系数往往可达到3-10，此时，若按最大应力点进入塑性就算失效就显得过于保守，因为结构上有很大的承载能力；若不考虑从应力集中制按简化公式进行设计又不安全，应力集中区将可能出现裂纹。

2.对于高温情况，要把热应力控制在传统标准允许的水平之下有时是做不到的，在高温、高压的容器中热应力与内压力之和已超过传统的允许值，无论加厚或减薄壁厚均不能满足传统标准要求，因为二者对壁厚大小的要求是相反的。

对于一些弹性元件（如波纹管、膨胀节）对壁厚的要求也属这类问题（强度与柔性的矛盾），若按常规设计的原则与方法，就无法得到合理的设计。

3.在实际运行的设备中，出现的疲劳裂纹是反复加载条件下结构的一种破坏形式。

基于一次净力加载分析的常规设计和产品水压试验都不能对此作出合理的评定与预防。

“分析设计”从设计思想上来说，就是放弃了传统的“弹性实效准则”。

而采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计。

采用这个准则，可以较好地理解前述的矛盾，合理地放松了对设计应力过严的限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性。

“分析设计”是以弹塑性失效准则为理论基础，应用极限分析和安定性原理，允许容器材料局部屈服，采用最大剪应力理论，以主应力差的最大值作为容器发生垮塌和破坏的依据，即称之为应力强度。

对塑性金属而言，用最大剪应力理论判断屈服和疲劳失效比用最大主应力理论更为合理。

“分析设计”要求对容器所需部位的应力作详细计算，并根据应力在容器上的分布、产生的方式以及对容器失效所起作用的差异分为一次应力、二次应力和峰值应力，对各类应力及其组合的当量应力给以不同的限制。

对一次应力的限制是防止过度的弹性变形和延性破坏，对一次应力加二次应力强度的限制是防止塑性变形引起的增量破坏，对峰值应力强度的限制是防止由周期性载荷引起的疲劳破坏。

2.核级阀门设计的特殊要求
在核级阀门的设计计算中，需要遵守ASME、RCCM等法规。

ASME核电规范与标准BPVC-III 核设施部件建造规则第一册NB分卷，NB3500规定了核一级阀门的合格标准，NC、ND 分卷规定了核二、三级阀门的合格要求。

其中ASME III NB分卷的核心是采用第三强度理论，使用分析设计方法对压力容器进行分析计算。

在计算中考虑了内压、自重、管道反作用力、地震载荷、温度效应等载荷条件。

将压力容器所处的工作环境分为设计基准工况、运行工况、紧急工况、事故工况、水压试验等5种类型，每种工况分别对应不同的设计输入载荷和条件，合格依据也制定了详细的判定标准。

其中，载荷工况与应力限制的关系如表1所示。

每种工况下分别评价承压部件的薄膜应力、弯曲应力、一次应力、二次应力、峰值应力、热应力、总应力是否满足所使用材料的设计应力强度值。

3.研究目的和意义
综上所述，本文预计使用第三强度理论，按照ASME法规第三卷要求，以一个核一级闸阀为例，进行一个完整的有限元应力分析计算。

在分析过程中，选择闸阀为模型，有如下优点：
闸阀为电厂中普遍使用的产品，为大众所熟知。

使用常规设计方法对闸阀进行设计计算的案例为数众多。

而本文使用分析设计的方法对闸阀进行一个全新的分析计算，更能体现本文的价值。

❍闸阀的外伸机构（包含支架、驱动机构等部分）较长，固有频率相对较低。

在进行抗地震分析时，闸阀的固有频率比较接近地震频率，计算结果更加直观，地震应变云图比较接近通过抽象得出的结论。

❍针对此闸阀的设计图纸，哈电阀门公司已经生产制造出试验样机，即将按照ASME QME-1的标准进行真机的型式试验鉴定。

届时，可将样机的试验结果同分析计算的结果进行对比，通过样机的试验数据验证本文分析计算的结果是否真实、准确。

在国内，已经取得ASME认证的阀门企业只有中核苏阀和大连大高阀门公司。

经过了解，这两家阀门厂的设计计算都是使用经验公式的方法进行设计，制造试验样机进行设计鉴定。

而本文使用有限元的方法进行分析，将填补国内核级阀门分析计算的空白。

在分析过程中，使用新版本的ANSYS Workbench12.0软件进行计算。

鉴于国内介绍ANSYS Workbench的书籍较少，因此，本文在分析中较详细的介绍了软件的使用方法及操作步骤，也可为希望从事阀门有限元分析计算的工程师提供一个标准的分析计算模板。

二、国内外研究现状
哈尔滨锅炉厂有限责任公司
哈尔滨锅炉厂有限责任公司（以下简称哈锅）隶属于哈尔滨动力设备股份有限公司，位于哈尔滨市香坊区三大动力路309号。

哈锅下属的辅机容器设计开发处主要负责锅炉低加、高加蓄热器、除氧器和核电站汽水分离再热器、除氧器、高加等辅助设备的设计开发。

通过了解，辅机设计处使用ANSYS 软件进行设计开发已经有十几年的历史，最早版本为ANSYS 5.4，曾发表过《用ANSYS 计算等径三通热应力》等文献和计算、验证报告。

在ASME N认证过程中，辅机设计处使用ANSYS软件对模拟件进行了分析计算，使用ASME III NB分卷提供的公式进行了设计验证。

现哈锅已经通过了美国ASME协会的联检并取得ASME N认证。

2007年，哈锅升级ANSYS软件到ANSYS Workbench 10.0版本。

使用新软件对秦山二期汽水分离再热器（MSR）进行了设计计算，分析计算报告名称为：《Design Report For Drain Tank Of QINSHAN Phase II For Nuclear Power QINSHAN Joint Venture.Co.LTD》。

分别评定了设计基准、运行、紧急、水压试验四种工况，考虑了内压、地震、接管反作用力等载荷。

现今，MSR已经生产制造完成并发往用户现场。

分析报告中考虑了内压、关闭试验压力、反作用力、地震载荷等载荷的作用，分别进行了设计工况、紧急工况、水压试验工况的分析，评价了总体薄膜应力、局部薄膜应力、一次和二次应力、峰值应力。

最终的审核已经由RPE签字通过。

韩国SDD公司
韩国System D&D有限公司创立于2002年，是给发电站及产业设备提供综合性工程解决方案的公司，是具备设计核电站发电设备、各种试验设备生产及运营、工程部门和高温、高压、高压差用调节阀的设计和生产部门的重点发展型企业。

公司网址为：。

经过了解，韩国SDD公司具有如下所述的设计研发能力：
❍结构分析（Structure Analysis）
依据ASME、KEPIC的要求，应用ANSYS、NASTRAN和LS-DYNA手段，通过分析包括操作力在内的负荷组合分布，检查并验证由于负荷可能产生的位移等，从而确认设计结构的可靠性和符合性。

❍抗震分析（Seismic Analysis）
通过对调节阀结构形状以及采用的不同材料组合分析，从而确定其固有频率超过33HZ 时，抗地震载荷及结构完整性。

❍流体分析（CFD Analysis）
采用ANSYS CFX和Fluent，对阀体、阀座和阀瓣在不同介质流速、压力情况下进行分析。

VELAN公司
Engineering expertise
Over the years,Velan has brought together a strong team of professional engineers with extensive experience in critical applications in critical ing advanced software applications including Finite Element Analysis(FEA),Computational Fluid Dynamics(CFD),and 3D
Solid-modeling,Velan’s engineers design superior quality valves that meet the most demanding performance requirements.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 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公司获得重要核级控制阀订单
Velan has been awarded an important contract valued at over $6 million with CNPEC for 124 bellows seal control valves (DN 8 to DN 300) for two third-generation EPR plants in Taishan, People's Republic of China.
三、论文主要内容
首先对第三强度理论、规则设计与分析设计在设计方法上的区别、应力的分类及评定、进行简要的描述。

参考美国SPX公司的爆破阀技术规范，模拟一个核一级闸阀的设计技术规范，确定设计分析的初始输入条件。

使用Solidworks 2010软件建立核一级闸阀的立体模型，同时根据累积经验对立体模型进行简化和修改。

使用ANSYS软件对核一级阀门进行设计工况、A、B、C、D、试验工况等六种工况下的有限元分析计算，考核阀门的固有频率及抗地震性能、薄膜应力、薄膜加弯曲应力、峰值应力、热应力、总应力。

之后进行疲劳分析和瞬态分析。

对阀门流体动力学分析做简要的介绍，考虑阀体内腔的压力场分布、速度场分布、流量场分布等流体力学参数。

根据阀体的应力分析结果，对阀体等主要零件进行优化设计计算。

在满足强度的条件下，为阀门减轻重量。

四、论文预期结果
哈电阀门公司已经正式成为AP1000机组爆破阀的技术承让单位之一，技术规格书、图纸等资料已经转让完毕。

本文预计以爆破阀为例，学习美国SPX公司的分析设计方法，同时通过消化吸收，独立完成一个核一级闸阀的有限元应力分析计算，获得为所有阀门进行应力分析的能力。

美国SPX公司在进行爆破阀的分析中，是采用ANSYS软件进行二维的分析。

本论文预采用ANSYS Workbench 12.0软件进行三维立体分析，效果更直观，而且更加贴近现实。

同时将计算结果同SPX的结果进行对比分析，逐步完善分析设计的思想。

本文在分析计算的过程中，将详细阐述使用ANSYS Workbench 12.0软件计算的过程，即提供阀门有限元分析计算的模板，为阀门行业的分析工程师提供样板。