阀体强度分析方法研究.doc

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