核一级截止阀温度场和热应力计算分析.pdf

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1、核一级截止阀温度场和热应力计算分析苏州大学机电学院(江苏苏州纽威阀门股份有限公司【摘要】应用有限元软件ANsYs对某核一级截止阀样机进行温度场计算，然后采用顺序耦合方法，将温度场结果作为体载荷施加到结构分析模型中，计算该阀门在设计温度工况下的热应力场，并对结果进行分析评价。结果表明该阀门在高温工况下能满足结构安全要求。【关键词】核一级截止阀有限元ANSYs温度场热应力一．前言核一级截止阀用于压水堆核电厂一回路系统，设计温度：360℃，设计压力：17．23MPa，主体材料：RCC—MM3301Z2CNDl8一12／NS，介质：反应堆冷却剂，

2、设计寿命：60年。主回路系统阀门，因核电站起动、停止过程中，长期受到冷、热交变工况的影响，容易导致构件发生疲劳失效或塑性变形累积。为保证阀门设计寿命，必须对阀门的热应力进行计算和评估。本文运用ANSYSl3．0软件，对该核一级截止阀在设计温度工况下的温度场和热应力场进行模拟计算。首先进行温度场计算，然后使用顺序耦合方法将温度场结果作为体载荷施加到结构分析模型中，计算阀门在设计温度下的热应力。最后依据RCC—M设计规范对阀门的关键部件进行应力评定与校核，评估阀门的结构安全性能。=．分析和评定依据根据规范RCC—MB3222．6规定，热应力是

3、由于壁215021)吴敬普石世宏(江苏215129)陈天敏厚内温度不均匀分布或存在不同的热膨胀系数而引起的自平衡应力，为了建立应力准则，根据热应力所涉及的范围将它分成两种不同类型：(1)总体热应力它与整个壁厚上不同的热膨胀有关。它的连续热循环可能产生渐进变形，归属于二次应力。如果这类热应力Q(不计应力集中)大于材料屈服强度仃。的两倍，则弹性分析失效。即有：Q≤2盯。或Q≤3盯。。(2)局部热应力它与不同膨胀几乎完全被限制有关，归属为峰值应力，这种热应力仅从疲劳失效的角度才予以考虑。一一三、阀门几何模型和材料特性采用UGNX软件制作的核一级

4、截止阀三维几何模型如图l所示。阀门主要部件设计温度下的材料特性见表1，阀体主要材料的热特性参数见表2。四、有限元模型1．结构离散化图1阀门三维几何模型图本次温度场计算和热应力计算采用同一网格模型，如图2所示。整个模型的前处理在ANSYs表1设计温度(360。c)下材料的力学特性参数

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19、及分析阀盖的温度分布图如图6所示，沿阀盖壁厚及垂直方向各取一条路径，分别为B—B和C—C，沿路径方向的温度变化分别如图7、图8所示，可以看到，在热传导、空气对流及辐射作用下：1)阀盖的温度沿壁厚方向逐渐降低，从内壁表面温度319℃降到外壁外表面约317℃，温度差约为2℃。2)阀盖的温度沿垂直方向从底往上逐渐降低，从底部360℃降到顶部247℃，温度差约为l13℃。326196314928o30366羔29239228l12426985625858824732电力通用机械＼＼、＼、图8阀盖沿垂直方向温度变化六．热应力场结果及分析1．阀门整体

20、热应力计算结果阀门在温度作用下产生的热应力分布云图如图9所示，最高热应力值为93lMPa，为内壁小热点的应力，属于局部热应力，各个区域的总体热应力值较小，在合理的范围内。由于温度效应对阀门大部分部件产生的热应力较小，影响不大，因此，本次分析仅对影响较大的——刃呵主要部件阀体、阀盖进行分析评定。31922l319052318882318712318542赢318372妲3182023180323l7862317692317522图6阀盖的温度分布及路径示意图7阀盖沿壁厚方向温度变化●■■●—_．．：===：：：：二二二一．二_J—一()r)

21、46nl76‘：673O【：4q：83】7^4j：7014IjKQ1li图9阀门整体热应力分布云图2．阀体热应力结果及评定在温度作用下，阀体的热应力分布如图10所示。在阀体的内表面尖角处产生局部热应力，而由于阀体沿壁厚方向存在一定的温差，而引起总体热应力。在总体热应力较大的区域沿壁厚方向选取路径A—A，沿壁厚方向的总体热应力分布如图ll所示，可以看到，最大热应力为82．18MPa，依据评定准则，则有：Q=82．18≤3盯。=3×113=339MPa。因此可有结论：阀体：嘶伸期熙慧烹612叭6年第8期、ww．eI、jx“)mVl姗m愀m拼回

22、～的热应力水平较低，结构强度能满足要求。536995l36649037467084437q皇4205R39721蓑373923S0633273430405图10阀体热应力分布及路径示意＼图11