大型先进压水堆常规岛大口径抽汽止回阀的应力分析*

0 引 言

大型先进压水堆常规岛抽汽止回阀是核电站中的关键设备之一，对汽轮机设备起着安全保护作用。在核电站的正常、安全和稳定运行具有极为重要的作用，是核电站可靠运行的保障。目前，该产品尚未实现国产化应用，结构设计上与国外还有一定的差距。

国产常规岛大口径抽汽止回阀的研究是属于2019年国家重大专项《大型先进压水堆及高温气冷堆核电站关键阀门制造技术与研究》之一，由于是大口径的流线型结构，阀体不能完全设计成球形或正圆柱型，属于形状较复杂的薄壁压力容器，仅采用常规设计法很难保证产品的性能，一旦发生失效，严重影响核电站的安全运行。因此，笔者首先介绍了大口径抽汽止回阀的主要结构形式和设计参数，然后利用有限元软件ANSYS对阀门进行精准的压力强度计算和深刻的分析，最后通过有关标准进行应力评定，确定阀门设计满足强度要求，提高阀门在核电站运行的可靠性。

1 阀门主要设计参数

当前分析的常规岛大口径抽汽止回阀是目前核电中口径最大，也是最具代表性的规格。设计参数如表1所列。总体上采用最先进的低流阻流线型旋启式结构，如图1所示。其阀体呈扁“凸”型结构，主要目的是降低流体阻力，提高阀瓣开启力，如图2所示。当然采用了这种结构后，会造成常规强度计算不全面、不精准，所以必须采用有限元分析法确保产品有足够的强度。

表1 阀门主要设计参数

图1 核电常规岛抽汽止回

图2 流线型阀体的毛坯阀几何模型

2 条件和说明

在分析计算中，对模型进行简化，保留了主要承压零件，如图3所示，分析的目的是为了获得阀门在役运行过程中阀体、阀盖应力变形情况，并进行强度校核，为阀门的优化设计提供依据。

图3 装配体模型

分析前对该模型做以下几点说明：① 该模型所有尺寸均与施工图纸一致；② 为简化计算，不考虑中法兰螺柱螺母连接结构螺纹特征；③ 为缩减计算规模，考虑到阀门的对称性，取阀门的1/2建模；④ 阀体、阀盖材料均为ASTM A216 WCB，常温下密度为7.85 g/cm3，弹性模量2×105 MPa，泊松比为0.3；螺柱和螺母材料分别为ASTM A193 B7/ASTM 194 2H,弹性模量2.3×105 MPa，泊松比为0.3。

采用有限元软件ANSYS进行分析,分析中有以下几点假设:①假设认为模型中所有材料均为各向同性的线弹性体；②认为螺柱同时预紧，不考虑安装过程中的螺柱弹性交互作用；③不考虑中腔垫片压缩及回弹的非线性特性。

3 分析过程

(1) 模型导入

首先将在Solidworks中建好的几何模型保存为Parasolid格式，然后在ANSYS Workbench中建立静力学分析模块，导入保存好的几何模型。

(2) 网格划分

考虑到实体模型形状不规则，故在默认的基础上，对各部件最小网格尺寸分别进行控制，以平衡计算精度与计算规模，如图4所示。

图4 装配体网格图5 载荷及约束

(3) 边界条件

螺柱及螺母与阀盖之间、阀体与阀盖之间的接触均定义为摩擦接触阀体两端施加固定约束；阀门剖分面施加无摩擦约束；内腔施加2.2 MPa压力；考虑重力作用，取-Y方向；中法兰螺柱施加预紧力载荷，如图5所示。

(4) 运算结果

如图6～11所示，分别展示了阀体、阀盖和中法兰螺柱在预紧载荷下以及预紧载荷与内压作用下的Mises应力分布及变形情况：阀体中腔与支管交界处出现较大应力集中(如图9所示)；阀盖的最大应力位置处于结构不连续部位(如图11所示)；中法兰螺柱靠近阀体轴线侧应力大，远离阀体轴线侧应力较小，预紧载荷作用下时螺柱间应力分布均匀，施加内压后由于法兰出现微小偏转，螺柱间应力分布略有区别。

图6 预紧载荷作用下阀门Mises应力分布

图7 预紧载荷作用下阀门变形分布

图8 施加内压后阀体Mises应力分布

图9 施加内压后阀体变形分布

图10 施加内压后阀盖Mises应力分布

图11 施加内压后阀盖变形分布

如图13～14所示应力线性化，在阀体、阀盖应力较大处构建应力评定线。

图12 施加内压后中法兰螺

图13阀体应力评定线柱应力应变分布

图14 阀盖应力评定线

根据我国压力容器标准JB4732-1995要求进行应力评定，设计应力强度为：

式中：nb=2.6,ns=1.5,nst=1.5，求得Sm=166.7 MPa。

应力线性化路径的选取原则是：通过分析阀体、阀盖应力强度最大节点，其它高应力强度区选定节点及关注部位的相应节点，并沿壁厚方向的最短方向设定为应力线性化路径。各零件应力强度评定结果见表2和表3结果均合格。

表2 阀体应力评定结果

表3 阀盖应力评定结果

注：Path:选取的应力评定线位置；PL：一次局部薄膜应力；Q：二次应力；K：载荷组合系数。

4 结 语

利于ANSYS软件对国产常规岛大口径抽汽止回阀的三维模型进行有限元分析，可全面的知道阀门应力集中的具体位置，并精确的计算任何位置应力大小，并依据相关分析标准进行强度评判，优化设计，提高产品性能，为产品设计提供可靠支撑，使产品性能完全媲美国际水平。