核电阀门设计规范的应用及分析

1、核电阀门设计规范的应用及分析李军业 , 蒋 琦(中核苏阀科技实业股份有限公司 , 江苏 苏州 215001)摘要论述了按 a sm e b pv c2 规范进行核电阀门设计时应注意的问题 , 如最小壁厚计算 、应力计算与抗震分析 、许用应力的选取和无损检测要求等 , 并就规范没有明确规定的内容提出了 可行的解决方案 。关键词 核电阀门 ; 设计 ; 应力分析 ; 许用应力 ; 无损检测中图分类号 : th134文献标识码 : adesign of nuclear po wer valvesl i jun2ye , j ian g qi( su fa technology indust ry c

2、o . , l t d. cnnc , suzhou 215001 , china)abstract : briefly int ro ducing so me aspect e . g. t he calculatio n of t he minimum bo dy wall t hickness ,t he st ress calculatio n and anti2eart hquake analysis ,t he selectio n of allowable st ress and t he require2ment s of no2dest ructio n examinatio

3、 n etc. during t he design of nuclear valves per a sm e b pv c2 ,and exp ressed perso nnel opinio ns o n so me aspect s t hat are not clearly defined in t he specificatio n .key words : nuclear valves ; design ; st ress analysis ; allowable st ress ; nd e requirement s1引言美 国 a sm e 锅 炉 和 压 力 容 器 规 范

4、 第 卷 (a sm e b pv c2 ) 核动力装置部分包含了核电阀 门 的 设 计 规 定 , 其 中 nb23500 、n c23500 、nd23500 规定了核电阀门的设计规范 , nb 、n c 和 nd分卷分别针对一级 、二级和三级设备 。2一级设备nb23500 规定了一级阀门的设计和应力分析规 范 。于阀体基本内径的定义 。当阀门口径 n ps 4 时 , 常规形状的阀门可按 “标准设计规则”进行设计 , 按 “标准设计规则” 须满足 nb23530nb23550 规定的要求 , 同时对阀 门的形状规则都有具体的限制 (按 nb23544) 。211阀体应力分析nb2350

5、0 根据压力面积法确定阀体交叉部位的 一次薄膜应力 pm , 按 tresca 方程计算 , 得a f+ 015 ps s mpm =a m当阀门口径 n ps 4 时 ,可按 a sm e b16134式中的 ps 为标准计算压力 , 其数值不一定就是设计压力 , 它是根据 a sm e b16134 阀门温压曲 线表查取的对应于 500 和阀门压力额定值等级数 (例如 1500 磅级) 下的最大允许工作压力 。而式中的 s m 为按 a sm e b pv c2 2d21 表 2a 和表 2b 中 材料在 500 的设计应力强度值 。阀体还需按下式进行二次应力的计算s n = q p +

6、peb + 2 q t3 3 s m式中的压力都为标准计算压力 ps 。的方法进行设计 。但应注意在壳体壁厚的计算时 ,nb23500 对阀体基本内径 d m 的定义为临近焊端区 域的阀体内径较大者 , 而 a sm e b16134 规定的阀 体基本内径为流道的最小直径 , 但不得小于阀体端 部基本内径的 90 % 。此内径的定义同样应用于口 径 n ps 4 的一级阀门的壳体壁厚计算中 。两种定 义的区别意味着按 b16134 阀体最小壁厚的要求设 计的阀门不能认为就自动符合 nb23500 要求的阀 体最小壁厚 。但对于二级和三级阀门的壳体最小壁启和关闭循环 , 并要求阀门在循环载荷下合

7、格。nb23525 、3526 、3527 提出了 a 、b 、c 和 d 4 种载荷限制 , 设计规范书可对载荷限制提出具体要 求 。a 级和 b 级仅允许阀门在弹性范围内 , c 级和用 631 制造 。规范明确了 630 的最高使用温度为650 / 343 , 应注意其温度限制 。a sm e b pv c2 明确规定中法兰螺栓是承压螺栓 , 但没有规定填 料螺栓是否为承压螺栓 。按作者对规范的理解 , 填 料螺栓可以作为非承压件 , 可按 nb2354613 设计计算 。因为核装置承压螺栓越来越多地采用 630 材 料 , 特别是主体材料为不锈钢时 。这种材料的螺栓 不容易采购到标准件

8、 , 一般都是制造厂自己生产 , 所以成本很高 , 如果能采用其他容易采购的材料但 同时又满足规范的要求 , 则可以降低成本 。215 设计应力强度值承压件的设计应力强度值按 a sm e b pv c2 2d21 表 2a/ 2b 的规定选取 。 承压螺栓的设计 应力强度值按 a sm e b pv c2 2d21 表 4 的规定选 取 。 强度失效理论为最大剪应力理论 , 某一点的最大剪应力等于该点 3 个主应力中代数最大值与最 小值之差的一半 ( nb23212) 。3 二级设备和三级设备一般情况下 , 二级和三级设备用的阀门符合a sm e b16134 的要求 , 同时也能满足 n

9、c23500 和nd23500 的 要 求 。承 压 件 的 最 大 许 用 应 力 值 按a sm e b pv c2 2d21 表 1a/ 表 1b 的规定选取 ( 表1) , 承压螺栓的许 用 应 力 按 a sm e b pv c2 2d21表 3 的规定选取 (表 2) 。4 抗震计算有抗震要求的核电阀门都要求能通过抗震计 算 。对抗震 1a 类 (能动) 阀门 , 要求其在 sl 2 发 生时仍能保持压力边界的完整性 、以及可操作性 。 对于抗震 1 i 类 ( 非能动) 阀门 , 仅要求其在 sl 2 下能保持其压力边界的完整性 。a sm e b pv c2 中没有明确给出抗震

10、计算的细节 。核电阀门通常都要 求阀门延伸结构的一阶自振频率 33 hz ( 地震的 频率一般 33 hz) , 即要求为刚性阀门 , 并检验轴 最大偏移量是否符合要求 。自振频率的计算可采用 rayleigh 法 。也可采用有限元分析法计算阀门的自振频率 , 以便获得更加准确的结果 。同时 , a sm e b pv c2 要求对阀门的危险截面 如阀体颈部 、中法兰螺栓截面 、阀盖颈部 、支架根 部等进行抗震计算 。对于刚性阀门即自振频率 33hz 的阀门 , 通常可采用等效静力法进行计算 , 即假定地震加速度为 zpa ( 零周期加速度) 并作用 于延伸结构的重心上 , 并与设计压力 、操

11、作力等进 行叠加 , 对危险截面进行抗震分析 。d 级则允许产生塑性现象 ,塑性 。212阀体2阀盖连接d 级甚至允许很明显的根据 nb2354611 ,如果阀体2阀盖采用螺栓连接时 , 采用 xi23000 的方法进行设计和计算 。如果阀体2阀盖的连接不是螺栓连接方式 ,条件进行设计 。设计压力等于标准计算压力 。设计温度为标准计算温度 。则应按下列热应力基于最严重工况考虑 ,为 37178 / h 。假定温度梯度基于上述工况的至少 2 000 次循环的疲劳寿命 。213主要零部件根据 nb2354612 , 阀瓣作为承压边界考虑 , 一 次薄膜应力不超过 s m , 一次弯曲应力不超过 1

12、15s m 。阀杆及其他重要的受力零件失效会导致压力边 界完整性的破坏 。根据 nb2354613 , 其设计以常温 下最大允许工作压力和附加载荷计算的一次应力不 超过 s m 为原则 , 当不选用 a sm e b pv c2 2d21 表2a/ 表 2b 中的材料时 , 以不超过屈服强度的 2/ 3或抗拉强度的 1/ 4 中的较小值为原则 。a sm e b pv c 规范对于承压零件种类有明确的 定义 , 如压力容器的壳体 、顶盖和喷嘴 , 管道和管件 , 阀门的体 、盖和阀瓣 , 泵的壳体和盖 , 承压螺栓等零部件为承压零件 。而阀座 、阀杆 、填料和垫 片都属于非承压零件 。承压零件

13、必须采用 a sm eb pv c2 2d21 表 2a 和表 2b 中的材料制造 , 而非承压零件的材料没有强制要求 。对安全阀的阀瓣和 喷嘴 、控制阀的阀瓣和套筒及进口尺寸 n ps 2 的管线阀门的阀瓣 , 其零部件的材料不作强制性要 求 。核电阀门的阀杆和承压螺栓越来越多地采用沉 淀硬化钢制造 , 如 a sm e sa2564 (棒材) / sa2705 ( 锻 件 ) 中 的 630 ( 0cr17ni4cu4n b ) 以 及 631 (0cr17ni7al) 。631 并没有列入 a sm e b pv c 规范 当中 。因为阀杆不是作为承压件 , 可以使用 631 制 造但承

14、压螺栓如中法兰螺栓的材料按规范不能使表 1材料的许用应力m pa常温下设计应力强度值1 级常温下最大许用应力值2 级和 3 级抗拉强度屈服强度材料m pam pa482134471948213413144471948213482134131451618620115851746416482134271244719160151491516015137181491516015160151371817213206171953211816015-11511137181281213718117181281213718137181171814715177111671427516137181151111511

15、a105/ wcb/ l f2l cbl cc/ wcc/ l c2/ l c3l f1l c1wc 6/ wc9f11 2 级f22 1 级f22 3 级c5f6a 2 级17 - 4 p h/ h100 级l f3cn7 m f316l / f304lcf3 m/ cf8 m/ f316/ f304/ cf3/ cf8/ cf8c/ f3212482411227516206172411227516275162061731011413143797921425814172131721348213206171371813718表 2螺栓材料的许用应力m pa常温下设计应力强度值1 级常温下最大许

16、用应力值2 级和 3 级直径范围 d抗拉强度屈服强度螺栓材料材料等级in .m pam pa215 d 4d 215215 d 4d 215d 8792148611375719861139641651618516186541672315654167231579214206172061721814241122181424112263196819 ( sol1t reat)6819 ( sol1t reat)15815172131511617213192191291512915b7b7b16/ h 1 100b1617 - 4 p h b8b8mh1100 级1 级1 级 b6 d 4 75719

17、 58517 195 14611 表 4 二级设备承压铸件要求的检查( 参照表 nc2257121)一般而言 , 需适当增加中法兰厚度和中法兰螺栓有效截面积 , 以及增加支架的强度和刚性 , 才能 通过抗震计算 。5无损检验要求a sm e b pv c2 对 阀 门 承 压 件 的 无 损 检 验(nd e) 提出了明确的规定 。表 3 、表 4 和表 5 分 别列出了一级 、二级和三级设备的承压铸件 ( 阀尺寸nd e 要求n ps 22 4体 、阀盖和阀瓣)有关部分) 。的 nd e 要求 ( 仅列出了与阀门表 5 三级设备承压铸件要求的检查( 参照表 nd2257121)表 3 一级设

18、备承压铸件要求的检查( 参照表 nb2257121)尺寸nd e 要求n ps 2n ps 2无要求 ,但 asm e b16134 特殊级阀门除外无要求 ,但 asm e b16134 特殊级阀门除外尺寸nd e 要求n ps 22 4注 : m t 磁粉检验 , p t 渗透检验 , r t 射线检验 , u t 超声2 表表选取并乘以铸造质量因子 ( 参见nd23115) 。有 时 为 了 设 计 和 应 力 分 析 的 标 准 化 ,便于管理 , 以及确保核电阀门的毛坯质量 , 对于三 级设备 , 设计时也会按二级设备提出 nd e 要求 。核电阀门承压铸件的补焊应按规范进行无损 检验

19、 。不是设计压力进行计算 。以及 a sm e b pv c 规范中没有明确非核级阀门的许用应力如何选取 , 或遵 循什么准则 , 一种比较容易理解和接受的方法似乎 是按 mc 级设备选取 ( mc 级设备的许用应力值为 a sm e b pv c2 2d21 表 1a/ 表 1b 数值的 111 倍) ,但是对于承压铸件 , 因为 mc 级设备的承压铸件按 规范均有 r t 要求 , 而非核级承压铸件一般没有 r t 要求 , 所以应当乘以铸造质量因子以作为非核 级承压铸件的许用应力值 。对于承压锻件和承压螺栓/ 螺母 ,明确了 nd e 要求 。6结语规范中同样本文概述了核电阀门在设计中应

20、注意的一些问题 , 有的章节如应力计算和抗震分析等限于篇幅不 能详细说明 , 但作为规则法和等效静力法的计算准则和公式均在 a sm e b pv c 规范中有较详细的说明 。同时 a sm e b pv c 规范中有些计算准则还存 在某些争议 , 如在计算一级设备的壳体壁厚时 , 采 用了与 a sm e b16134 不同的基本内径的定义 , 计算阀体一次应力 、二次应力时采用标准计算压力而参考文献12asm e b pvc 规范22001 , 第 卷 s.美j . l . 莱昂斯. 阀门技术手册 m. 北京 : 机械工业出版社 , 1991 年.杨 源 泉. 阀 门 设 计 手 册 m

21、. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,1992 .( 收稿日期 : 2005103114)3( 上接第 6 页)4研制在样机的试制过程中 ,题 ,使组件的整体性能满足使用要求 。5试验根据产品检验与试验大纲, 对法兰青铜波 纹管截止阀进行了壳体强度水压试验 、液压密封试验 , 无泄漏 。对波纹管组件的疲劳寿命试验考核到9 100 次 。2003 年 3 月 , 经 委 托 国 家 级 权 威 检 测 机 构 “机械工业通用机械产品检测所”下属 “机械工业阀门 产 品 质 量 监 督 检 测 中 心 ”, 根 据 gb/ t 58721993 、gb 600291 和 j b/ t 90

22、9221999 等标准 , 对样 机进行了整机性能试验 。在模拟阀门实际工作状况下 , 经过 5 000 次的开关试验后 , 波纹管组件完好无损 。阀门性能及各项指标值达到设计要求 。6结语法兰青铜截止阀加装波纹管防泄漏研究 , 不但 填补了我国没有法兰青铜波纹管截止阀这一空白 ,而且在关键技术 铜材质波纹管组件制造上取得了突破 。经国家级权威部门检测认定 , 该阀门完全 可以替代 gb/ t 58721993 法兰青铜波纹管截止阀 。该项目产品不但解决了阀门存在的外漏问题 , 而且符合清洁环境的要求 , 同时节省了大量的维护费主要有阀体铸造 、波纹管成型和波纹管组件焊接等关键技术和难点 。(1) 阀体铸造传统的 gb/ t 58721993 型号的阀门 , 阀体和阀盖采用砂型铸造 , 阀体的外观 、铸造外型精度和内腔光洁度等很难达到设计与使用要