地震載荷對核電閥門可運行性影響機理研究

俞樹榮 李 尤 薛睿淵 馬子睿

（蘭州理工大學石油化工學院）

核電閥門作為核電廠管道系統的重要組成，能否在地震期間實現預期功能關系著整個核電管道系統能否正常運行［1］。 地震期間部分閥門要求在規定時間內完成閉合動作，實現緊急切斷管內介質的功能，僅通過結構完整性對其進行抗震鑒定存在一定的局限， 功能完整性也必須考慮。功能完整性是指能動機械設備在地震工況下仍能保持可運行性。 工程實踐中多采用試驗法評價地震時核電閥門的可運行性［2～4］，然而研究過程僅關注閥門能否通過地震試驗，受試驗條件限制并未討論地震對閥門可運行性的影響機理。 此外，通過試驗鑒定會延長閥門的生產設計周期，提高設計成本，而且相較于試驗法，分析法更加經濟、簡便，更有利于在設計階段對設備進行調試與改進。 為了優化抗震性能，使設計期間能動部件穩定運行，徐慶然等學者已經嘗試利用分析法對核安全級泵等核級能動設備機械進行可運行性分析，主要計算結構之間的幾何間隙以及碰撞時的摩擦力矩等，對其可運行性進行評估［5～7］。 但目前鮮有利用分析法對核電閥門可運行性進行抗震鑒定的相關報道。

為了研究閥門在地震期間的真實動態行為，薛睿淵對某DN 80 閘閥進行了地震模擬試驗，但試驗過程閥門保持關閉，沒有探究地震對閥門可運行性的影響［8］，筆者以該試驗過程中使用的DN 80 閘閥為研究對象，對不同工況下的閉合過程進行模擬研究，總結利用分析法鑒定地震期間核電閥門可運行性的方法流程，揭示地震對其可運行性的影響機理。

1 有限元模型建立

1.1 模型建立

安裝有DN 80 閘閥的閥門管道系統試驗臺如圖1 所示，與文獻［8］中的一致，試驗通過施加不同類型的激勵完成不同的振動試驗，研究核電站中閥門管道系統在地震期間真實的動態行為。地震模擬試驗使用的DN 80 閘閥及其有限元模型如圖2 所示，閥門的設計壓力為3.0 MPa，主要零部件包括閥瓣、閥體、閥蓋、閥桿、連接法蘭、填料壓蓋、軸套，閥門材料為WCB。

圖1 安裝有DN 80 閘閥的閥門管道系統試驗臺

圖2 閥門三維模型示意圖

試驗所用閘閥主要用于截斷或接通管路系統中的介質， 通過閥瓣與閥座上的密封面楔入完成閥門的閉合。由圖2 可知，閥門開始閉合動作時，閥桿在驅動機構的作用下向下運動，推動閥瓣向閥座處的密封面貼合。閉合過程中，閥桿與軸套之間發生滑動摩擦， 閥瓣在楔入閥座的過程中，承受管道內介質壓力的作用，將閥瓣壓向密封面，產生彈性變形并繼續向下運動。整個閉合過程閥瓣的總位移為59.8 mm， 主要有5個位置發生了滑動摩擦，分別是閥桿與軸套、閥瓣與閥體兩側導軌、 閥瓣與閥體中閥座兩側的密封面， 分析過程中將這些地方定義為摩擦接觸。

1.2 邊界條件設置

閥門在正常工作過程中承受的連續工作載荷包括設計壓力、自重與接管載荷。 DN 80 閘閥的設計壓力為3 MPa。閥門接管載荷根據RCC-M標準［1］計算，管道傳遞的外力矩為226 963 N·mm。閥體兩端施加約束， 介質進口端設置固定約束，出口端釋放水平方向的自由度，模擬閥門在管道系統中的實際工作情況。 閥門基本載荷設置如圖3 所示。

圖3 閥門載荷設置

建立起待分析閥門的有限元模型后首先對其進行模態分析，分析可得該閥門的一階固有頻率為36.37 Hz，第1 階模態的變形主要基于閥門流道方向的垂直方向（模型y方向），文獻［8］基于修正后的模型計算的閥門y方向一階固有頻率為34.9 Hz，與模擬計算結果相差5%以內，證明圖3所示模型與實際結構基本吻合。

2 地震對閥門可運行性的影響

本節通過分析閥門各部件在施加地震載荷前后的應力與接觸壓力差異，研究地震對閥門可運行性的影響機理。

假設該閥門設計關閉時間為1 s， 設置閥桿速度為59.8 mm/s 并持續1 s，保證閥瓣在1 s 時完全楔入閥座。

計算所用閘閥模型的第一階固有頻率為36.37 Hz，大于33 Hz，視作剛性閥門，可以使用等效靜力法進行地震響應計算。 為研究地震對閥門可運行性的影響，以1g為步長向閥門施加0g～6g等步放大的地震載荷進行地震模擬試驗，當地震載荷為0g時，為正常工況。 閥門啟閉動作主要由閥桿帶動閥瓣完成，運動過程中與其接觸的部件產生摩擦接觸，同時，閥門開啟關閉時間也是衡量閥門狀態的一個重要標準［4］，故本節主要對閥桿、閥板運動過程中的應力、摩擦接觸部位的接觸壓力和地震對閉合動作的影響三方面進行討論。

2.1 閥瓣應力及接觸壓力分析

閥門閉合過程中，不同地震載荷下閥瓣最大等效應力隨時間變化曲線如圖4 所示。 觀察圖4可知，閥門正常閉合過程（即不施加地震載荷）閥瓣最大等效應力隨著閥門的關閉逐漸升高，并在0.87 s 時達到峰值118.5 MPa， 此時閥門臨近閉合，但閥瓣還未與閥座密封面發生接觸，兩側導軌接觸面積逐漸達到最小值，在介質壓力的作用下產生峰值應力，閥瓣接觸到閥座密封面后應力迅速下降。 隨著地震載荷幅值的增加，閥瓣最大等效應力值被放大，由118.5 MPa 升至148.5 MPa，但峰值出現時間與正常工況基本相同。

圖4 閥瓣在不同工況下的等效應力

在不同地震載荷作用下，閥瓣與導軌閉合過程中的接觸壓力時程曲線如圖5 所示，接觸壓力變化趨勢受到介質壓力與接觸面積的影響，其峰值與閥瓣等效應力峰值出現時間相同，地震載荷對接觸壓力具有放大效果。 在地震載荷作用下，閥瓣與導軌處接觸壓力與地震載荷大小呈正相關， 最大接觸壓力從56.56 MPa 升至74.4 MPa，最大接觸壓力被放大31%。 基于閥門閉合時的滑動方向判斷，接觸壓力屬于法向壓力，接觸壓力的增大會導致閥門閉合過程受力情況更為苛刻。

圖5 閥瓣在不同工況下的接觸壓力

2.2 閥桿應力及接觸壓力分析

閥門閉合過程中，不同地震載荷下閥桿最大等效應力隨時間變化曲線如圖6 所示，閥桿在閉合過程中受到閥瓣承受介質壓力的影響，等效應力隨著閥門的關閉逐漸升高， 并在0.87 s 時達到峰值69.3 MPa。 最大等效應力隨著地震載荷幅值增加而增加，當地震載荷從0g 提高至6g 時，其應力峰值從69.3 MPa 升至116.9 MPa。

圖6 閥桿在不同工況下的等效應力

在不同地震載荷作用下，閥桿與軸套閉合過程中的接觸壓力時程曲線如圖7 所示。 正常工況中，受到閥瓣承受介質壓力的影響，閥桿與軸套之間接觸壓力在臨近閉合時（0.87 s 左右） 存在18.9 MPa 的峰值。 在地震工況下，地震使閥桿不斷與軸套接觸碰撞產生負間隙（物體表面法向距離的負值即滲透值δ），由圖7 可以看出，地震載荷每增加2g，閥桿與軸套接觸壓力增加一倍。 地震載荷由0g 增加到6g 時，接觸壓力由18.9 MPa增加到52.3 MPa，最大接觸壓力被放大177%。相較于閥瓣與導軌之間的接觸壓力，閥桿與軸套接觸位置壓力對地震載荷變化更為敏感。

圖7 閥桿在不同工況下的接觸壓力

由上述計算結果可知，閥桿與軸套之間的接觸壓力的改變與碰撞有關。 根據有限元計算方法中的罰函數法判斷，導致接觸壓力上升的原因是地震載荷改變了閥桿與軸套之間的滲透值。 罰函數法適用于計算柔性體之間的接觸或碰撞現象。當接觸發生時， 從物體上的點i 將滲透主物體表面，滲透值δi=-gNi，gNi為兩物體之間的法向距離。罰函數將接觸視為彈簧力元，并通過滲透值來計算接觸力，即：

其中，k為接觸剛度。

假設閥桿閉合過程中與軸套的接觸剛度不變，提取閉合過程中閥桿與軸套間隙值的時程曲線如圖8 所示，由圖7、8 可知，閥桿接觸壓力的改變與滲透值有關，地震載荷會使閥門零件之間的滲透值增加，發生滑動位移時接觸之間的壓力增大。

圖8 閥桿在不同地震載荷下的間隙值

2.3 地震對閉合動作影響分析

為進一步研究各接觸之間的接觸壓力增加對閥門工作的影響，在不改變其他邊界條件的基礎上， 將位移約束更改為力載荷驅動閥桿運動。在閥桿上端設置1 000～10 000 N 逐漸升高的力載荷推動閥桿向下運動。 該閥門設計所能承受的地震載荷為4g， 為保證閥門可以完成閉合動作，分別施加0g、2g、4g 的地震載荷進行閥門閉合動作模擬，閥桿位移時程曲線如圖9 所示。觀察圖9可知，地震載荷從0g 增加至4g 時，閥桿位移相同閉合距離所需時間從1.0 s 延長至1.4 s，根據2.2節中的結果，地震載荷導致各接觸間接觸壓力增加，閥門閉合需要克服更大的摩擦力。

圖9 閥桿位移曲線

綜上， 地震載荷對閥門運動過程的影響一方面體現在增加各零件的最大等效應力， 另一方面， 地震載荷會放大各零件之間的滲透值和接觸壓力。 滲透值影響接觸壓力， 從而改變克服滑動摩擦力所需驅動力。 在實際生產中，閥門關閉的驅動力基本不會改變， 但關閉閥門所需要克服的摩擦力會因為地震載荷的增加而增加， 這會導致閥門開閉合動作延后， 特別是對于核電閥門這種需要實現快關的閥門， 甚至會導致閥門出現卡滯， 無法及時接通或阻斷介質流動。

3 抗震鑒定

本節根據RCC-M 標準［1］分別對閥門在閉合動態過程中與關閉靜止狀態下進行抗震鑒定，通過對比兩種情況的計算結果，探究考慮閥門可運行性分析與傳統結構完整性分析時抗震鑒定結果的差異。

3.1 基于可運行性的強度校核

針對核電閥門的閥桿、閥瓣和閥體基于可運行性分析的最大等效應力計算結果見表1， 等效應力云圖如圖10 所示。 閥門材料的許用應力為133 MPa，由計算結果可知，閥瓣在地震載荷大于等于4g 時超過應力限制， 閥體在地震載荷大于等于5g 時超過應力限制， 閥桿最大等效應力始終小于應力限制。 觀察圖10 可知，在地震載荷作用下， 閥桿應力主要集中于底部連接閥瓣處，最大值為116.9 MPa； 閥瓣應力主要集中于閥瓣與導軌接觸位置，最大值為148.4 MPa；閥體應力主要集中于其內部導軌底端，最大值為149.4 MPa。

表1 基于可運行性分析的最大等效應力表

圖10 地震載荷為6g 時閥門基于可運行性的各零件等效應力云圖

3.2 結構完整性分析

對閉合狀態的閥門進行結構完整性分析，設置與上文相同的邊界條件， 刪除閥桿的位移約束。 閥桿、閥瓣和閥體最大等效應力計算結果見表2，等效應力云圖如圖11 所示。 由計算結果可知，閥體在地震載荷6g 時超過應力限制。 觀察圖11 可知， 閥桿應力主要集中于底部， 最大值為47.9 MPa；閥瓣應力主要集中于上半部分，最大值為88.7 MPa；閥體應力主要集中于閥筋處，最大值為135.8 MPa。

表2 基于結構完整性分析的最大等效應力表

圖11 地震載荷為6g 時閥門基于結構完整性的各零件等效應力云圖

綜上，基于可運行性分析的計算結果與結構完整性分析結果存在明顯的差異：抗震薄弱點不同；各零件抗震能力不同。 抗震薄弱點不同的原因是閥門將要閉合時閥瓣與閥體接觸面積最小，導致閥瓣與導軌接觸部位應力最大。 基于可運行性的抗震鑒定過程更加嚴苛并且可以完整地觀察到閥門等能動機械設備工作過程中的應力變化，靜態下的結構完整性分析結果可能會小于實際生產中的校核結果，具有局限性。

4 結束語

筆者建立了DN 80 閘閥的數字模型，采用分析法對閥門可運行性進行評估，揭示地震危害機理，總結了利用分析法對核電閥門進行可運行性鑒定的方法及參數，并對整個閉合過程進行應力校核。 地震對閥門的影響主要體現在閥桿與軸套之間的滲透值增加（產生碰撞現象），放大閥桿與閥瓣處接觸壓力，延后閥門閉合動作。 在基于分析法對核電閥門進行可運行性評估時，可以考慮將接觸壓力、間隙尺寸、滲透值及閉合時間等作為評估參數。 在抗震鑒定中，基于可運行性的動態分析結果，比結構完整性評估更加嚴苛、全面，對保證閥門可靠性、提升核電站安全運行有重要意義。