在核級閥門的設計計算中，需要遵守ASME、RCCM等法規。ASME ⅢNB分卷提供了詳細的核級閥門的強度計算公式，如果按照全部公式（NB-3500） 進行計算并且計算合格，其閥門的設計結果是可以被接受的。隨著計算機技術的發展，使用有限元應力分析的方法對閥門強度進行計算成為一種新的計算方法。本文以某核一級閘閥為例，分別使用兩種計算方法進行計算，同時對計算結果進行對比分析。

    2 仿真分析

    將閘閥全部零件進行立體建模，并確定每個零件的密度以得到閥門的精確質量。在進行應力分析時，如果在閥體的一端施加固定約束，而端部應力得不到有效釋放，將在閥體端面位置產生應力奇異，最大應力可達2000MPa，這顯然與現實情況相違背。根據相關經驗及規定，可以在閥體進口處增加一過渡管（過渡管長度為入口管徑的2～5倍），在過渡管入口施加固定約束，使應力奇異發生在管道入口。而評價分析結論時，只考核閥門的受力情況，忽略過渡管入口上出現的誤導結論。這樣可以真實模擬閥體的受力情況，得出相對準確的應力分析值。在ASME 法規中，著重關注閥門承壓邊界的受力情況。因此，只取閥體、閥蓋和過渡管組成的裝配體為研究對象（ 圖1）。在閥體右側的中腔與支管交界位置，根據經驗劃分出3條閥體的應力評定線。同時將模型轉化到ANSYSWorkbench軟件中。

圖1 建立閥門應力分析模型

    在ANSYS軟件中，對閥體、閥蓋、過渡管賦予材料屬性，對支架、過渡頭和執行機構等省略掉的零件以一個有質量的點代替，并選擇閥體與閥蓋相接觸的表面作為支撐質量點位置的平面。分別選取過渡管與閥體、閥體與閥蓋相接觸的表面為零件間的接觸面，選擇約束類型為bonded綁定約束。對模型進行網格劃分處理，同時進行網格收斂性驗證。設定熱應力分析參數，選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質相接觸的表面設定設計溫度，選擇閥體的外表面確定對流換熱系數。

    選擇過渡管、閥體和閥蓋中與介質相接處的內腔表面設定介質壓力，選擇過渡管左端面確定閥門的固定約束載荷，選擇被拋開的過渡管、閥體和閥蓋的中截面添加閥門對稱約束。在結構分析選項中輸入Z軸方向重力加速度9806.6mm/s² ，在X、Y軸輸入OBE和SSE等效重力加速度的地震載荷，用于考慮B、D等工況下的地震載荷輸入。選擇閥體出口端面作為受力面，在X、Y、Z軸方向分別輸入技術規格書要求的管道反作用力和扭矩。計算得出應力評定線上的薄膜應力和薄膜加彎曲應力（表1）。

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表1 設計工況計算結果

    按照ASME法規的要求，需要按照技術規格書指定的設計、A、B、C 及D試驗等工況分別進行設計校核。而使用ANSYS軟件進行分析的過程是相同的，只是輸入的參數、考核的項目不同而已。因此，本文省略掉其余工況的計算過程。

    3 經驗公式計算

    在內壓下，閥體的最高應力區是在頸部與流道的連接處，其特征是垂直于中心線平面的周向拉力的最大值在內表面。下面使用詳細的計算公式來控制這個拐角區的總體一次薄膜應力和彎曲應力。

    （1）內壓引起的一次薄膜應力

        （1）

    式中 P_m———總體一次薄膜應力強度，MPa    

    A_f、A_m———流道中心線的共同平面內拐角區流體面積，mm²

    P_s———標準計算壓力（ 依據NB－3545.1） ，MPa

    根據閥體與流道中心線共同平面內拐角區的最終斷面圖確定流體面積A_f和A_m（圖2）。兩處面積根據去掉預定的腐蝕余量的內表面確定。有效距離La=0.5d－Tb，Ln=0.5r2+0.354去掉腐蝕余量后的閥體頸部實際壁厚T=T_b－t。

    經計算，Pm =73.82MPa ＜Sm1（Sm1=123.8MPa），合格。

圖2 壓力面積    

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    （2）二次應力

    由管道反作用力引起的二次應力應得到滿足，以保證閥體能安全傳遞由連接管道系統產生的力和力矩（圖3）。由管道反作用力引起的二次應力為

        （2）

    式中    C_b———由連接管道力矩引起的閥體二次彎曲應力指數

    F_b———標準接管的彎曲模量，MPa

    G_b———拐角區閥體截面彎曲模量，mm³

    經計算，P_eb=39.07MPa＜1.5×S_m2（S_m2=185.7MPa），合格。

圖3 確定閥體二次應力的截面    

    4 結語

    本文分別使用ANSYS軟件及ASME經驗公式對某核一級閘閥進行了仿真分析及經驗公式計算。

    由ANSYS軟件得出的閥體一次薄膜應力為69.193MPa，由經驗公式計算得到一次薄膜應力為73.82MPa（誤差為6.27%） ，經驗公式的計算結果驗證了仿真分析的準確性。由ANSYS軟件得出的薄膜加彎曲應力值為115.31MPa，由經驗公式計算得到的薄膜加彎曲應力為 112.89MPa （誤差為2.14%），證明了軟件分析計算結果的準確性。通 過對計算結果的對比分析可知，2種方法的計算誤 差都在合理范圍之內，兩種計算方法都是正確的。因此，在新閥門的研發計算中可以使用較簡單的有限元仿真分析方法，而使用經驗公式的計算方法作為對仿真分析方法的設計校核。