艇用止回阀抗冲击分析求解路线探讨

　　基于Ansys对艇用止回阀抗冲击要求进行分析，求解了止回阀冲击应力结果，并对其进行评定。获得了止回阀抗冲击分析的常用方法，缩短了研发周期。

1、概述

　　艇用止回阀水平安装在非能动余热排出系统管路上，是二回路系统压力边界的一部分，止回阀利用介质的流动实现自动开、关阀门。当阀前的管道发生破裂或断裂事故时，止回阀自动关闭，以防止蒸汽发生器二次侧水丧失。由于该阀门所处的使用环境及部位，要求其抗冲击等级为Ⅰ类。

2、分析

　　阀门主体材料的屈服强度和抗拉强度均为常温下的值。各部件的许用应力按照规范2 级阀门确定。即屈服强度为室温下规定的最小屈服强度的2 /3 与设计温度下屈服强度的2 /3 中的较小值，抗拉强度为室温下规定的最小抗拉强度的1 /4 与设计温度下抗拉强度的1 /4 中的较小值。根据GB 842.31A 及ASME 的相关规定，止回阀的抗冲击评定载荷工况组合如表1 所示。

　　设计工况评定限制最严格，分析中只评定设计工况和水压试验工况。阀门的承压边界主要包括阀体和阀盖。从力学特性分析，可以认为阀体和阀盖作为一个整体来承受内压产生的载荷。因此，在建立有限元模型时，将阀体和阀盖作为一个整体进行建模( 图1) ，忽略连接螺栓的影响，但将中法兰螺柱的初始紧固力作为载荷施加到阀体和阀盖的法兰上。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)考虑到地震载荷的非对称性，模型取实际结构的三维模型进行网格划分。而内部部件则忽略其刚度，只将其质量叠加到模型中去。各个法兰在接触面处合并成一个整体。分析采用的坐标系Y 向为垂直方向，Z 向为沿阀体的通径方向。

表1 抗冲击评定载荷工况

注: 设计工况所评定载荷工况组合已包含工况1、2、3、4 所评定的载荷工况。

　　模型用四面体10 节点单元建立，共有17 484个节点，67 669 个单元。有限元分析使用的前处理软件为Hyperworks，计算软件为ANSYS。阀体通径的左端面约束沿Z 向和切向平动位移，右端面约束沿Z 向和切向平动位移。模型中的载荷有4 种。①设计内压P = 15. 1MPa，作用于阀体和阀盖的内腔上。②中法兰螺柱的初始紧固力，即作用于阀体主法兰的8 个螺纹孔的侧面( 紧固力方向向上) 和阀盖主法兰的8 个螺栓孔的顶端面( 紧固力方向向下) 。③自重，即1. 0g 的加速度载荷，沿- Y 方向作用于阀体的全部质量上。④冲击载荷，采用频谱分析法进行计算。

图1 阀门整体的有限元模型

　　首先进行模态分析，以了解结构的整体动力学特性。计算表明，阀门整体结构的基频为462Hz( 图2) ，第2 阶频率为1 009Hz( 图3) ，阀门整体结构的前两阶振型均表现为阀门整体的摆动。对于设备而言，一般认为基频超过33Hz 即可认为是刚性体，因此可认为阀门整体结构的刚度足够大，在地震中可以视其为是刚体。

图2 阀门的第1 阶振型

图3 阀门的第2 阶振型

3、设计工况计算

　　3.1、低频区

　　对于低频区( 0 ～ 10Hz) ，主要施加位移谱，垂向和横向施加强迫位移20mm、纵向施加强迫位移10mm( 图4) 。对阀体进行应力评价。阀体最大应力点位于阀体与法兰连接的轴颈处，最大应力为179. 4MPa，是一个整体结构不连续区域。最大应力点处的一次薄膜应力强度不超过38MPa，一次薄膜加一次弯曲应力强度( 即一次应力强度) 不超过98MPa，一次应力强度加二次应力强度不超过124MPa，超过二次应力强度的应力属于峰值应力强度。

图4 低频冲击条件下阀门整体的应力分布

　　3.2、中频区

　　对于中频区( 10 ～160Hz) ，主要施加速度谱，垂向和横向施加速度1.2m /s、纵向施加速度0.61m /s( 图5) 。对阀体进行应力评价，阀体最大应力点位于阀体与法兰连接的轴颈处，最大应力为190.6MPa，是一个整体结构不连续区域。最大应力点处的一次薄膜应力强度不超过42MPa，一次薄膜加一次弯曲应力强度( 即一次应力强度) 不超过105MPa，一次应力强度加二次应力强度不超过137MPa，超过二次应力强度的应力属于峰值应力强度。

图5 中频冲击条件下阀门的应力分布

　　3.3、高频区

　　对于高频区( 160 ～ 800Hz ) ，主要施加加速度谱，垂向和横向施加速度125g、纵向施加加速度61g( 图6) 。对阀体进行应力评价。阀体最大应力点位于阀体与法兰连接的轴颈处，最大应力为375.8MPa，是一个整体结构不连续区域，最大应力点处的一次薄膜应力强度不超过68MPa，一次薄膜加一次弯曲应力强度( 即一次应力强度) 不超过125MPa，一次应力强度加二次应力强度不超过167MPa，超过二次应力强度的应力属于峰值应力强度。

图6 高频冲击条件下阀门的应力分布

4、水压试验工况

　　水压试验工况下主要对阀体施加1.1 倍设计压力的载荷( 图7) 。对水压试验工况下阀体的应力分布进行分析，阀体最大应力点位于阀体与法兰连接的轴颈处，最大应力为101.4 MPa，是一个整体结构不连续区域，最大应力点处的一次薄膜应力强度不超过65MPa，一次薄膜加一次弯曲应力强度( 即一次应力强度) 不超过110MPa。

图7 水压试验工况下阀门的应力分布

5、应力评价

　　应力评价见表2。

表2 应力评价

6、结语

　　通过对艇用止回阀的地震和冲击条件下的力学计算，得出阀门的主要承压边界部件的应力水平和主要连接螺栓的承载能力满足相应规范的应力限值要求，并有一定的安全裕度，能够保证承压边界结构的完整性。阀门的主要传动部件始终处于弹性阶段，变形很小，且可以完全恢复，可以保障阀门在地震条件和冲击条件下的可运行性。