Resistencia a los impactos de las válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear (Primera parte)
Para estudiar la resistencia al choque de las baterías eléctricas de grado nuclear válvulas de compuerta, se estableció un modelo de elementos finitos de la válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear bajo la acción combinada de la presión de diseño, las temperaturas y la aceleración de impacto de diseño. Utilizando el software de análisis ANSYS, se llevó a cabo el análisis modal de la válvula, y los resultados mostraron que el rendimiento de resistencia al impacto de la válvula podía analizarse mediante el método estático equivalente. La respuesta armónica y las características estáticas de la válvula bajo el impacto de carga combinada se analizaron con base en el método estático equivalente. Los resultados del análisis de respuesta armónica muestran que cuando el sistema de válvula de compuerta se somete a la carga de impacto cambiada con el tiempo de acuerdo con la ley armónica simple, la tensión y la deformación del cuerpo de la válvula y el asiento de la válvula son mucho menores que el valor admisible, y el margen de seguridad estructural es grande. Los resultados del análisis estático muestran que la integridad del límite de presión de la válvula se mantiene bien bajo la carga combinada, lo que cumple con los requisitos de diseño. El análisis del rendimiento de resistencia al impacto de las válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear bajo condiciones de diseño guía para el diseño de ingeniería para este tipo de válvula.
1. Descripción general
Las válvulas de compuerta de grado nuclear son dispositivos importantes y ampliamente utilizados en sistemas de centrales nucleares, que se utilizan para conectar o cortar el fluido en la tubería. Debido a que estas válvulas se encuentran sometidas a altas temperaturas y presiones, es necesario analizar su resistencia al impacto para evitar deformaciones estructurales o fuerzas que excedan el valor admisible al ser sometidas a cargas de impacto.
El método tradicional de cálculo mediante fórmulas empíricas no puede reflejar con precisión las características de fuerza interna de la estructura del sistema. Para solucionar esta limitación, la tecnología de simulación por computadora se ha desarrollado rápidamente y se utiliza ampliamente en el análisis de la resistencia al impacto de estructuras de ingeniería. Actualmente, el análisis numérico de la resistencia al impacto de la válvula adopta principalmente el método estático equivalente, el método del espectro de respuesta y el método de simulación en el dominio del tiempo. Los métodos estático equivalente y del espectro de respuesta son sencillos y prácticos, y pueden reflejar con precisión la tensión y la deformación del sistema bajo carga de impacto.
El método de simulación en el dominio del tiempo ofrece una alta precisión de cálculo, pero el proceso de cálculo es relativamente complejo, lo cual resulta adecuado para el análisis del impacto de estructuras complejas. Utilizando el método estático equivalente, Xuelian Dong y otros realizaron una simulación numérica de válvulas de compuerta de cuña de grado nuclear y verificaron su rendimiento sísmico bajo carga sísmica. Yanpeng Lou y otros simularon y probaron la resistencia al impacto de la válvula de globo angular mediante el método de análisis del espectro de respuesta. Yuanyang Jiao y otros verificaron la resistencia al impacto de válvulas de globo marinas bajo diferentes cargas mediante análisis de elementos finitos basado en el método de simulación en el dominio del tiempo.
Actualmente, existen pocos estudios sobre la resistencia al impacto de las válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear en China. Por lo tanto, en este artículo se establece un modelo de elementos finitos para válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear. Mediante el análisis modal del sistema de válvulas de compuerta, se determina el método estático equivalente como método de análisis de impacto, considerando exhaustivamente la presión interna, la tensión térmica, la carga sísmica y la carga de impacto de diseño. La resistencia al impacto del sistema de válvulas de compuerta se evalúa analizando la respuesta armónica y las características estáticas del sistema.
2. Modelos y materiales de válvulas
Para mejorar la eficiencia del cálculo y garantizar la precisión de los resultados del análisis, se simplificó el modelo sólido de la válvula de compuerta; se ignoraron los pernos de conexión entre sus componentes y se eliminaron las características estructurales que no afectan los resultados del análisis de rendimiento, como el biselado y las esquinas redondeadas. El dispositivo eléctrico de la válvula de compuerta con estructura compleja se simplificó como un punto de masa, y el modelo sólido simplificado se muestra en la Figura 1. Al mismo tiempo, se estableció una condición de contorno simétrica para la válvula de compuerta y se tomó la mitad del modelo para el análisis. Se utilizó una malla no estructurada al dividir la malla debido a la gran curvatura de la estructura de la válvula de compuerta. La curvatura se eligió como función de tamaño. El tamaño máximo de la superficie se estableció en 4 mm. El número de elementos de la malla después de la división fue de 200765 y la masa del elemento fue de 0,83. La calidad de la malla es buena. Su modelo de cálculo de elementos finitos se muestra en la Figura 2. El material de cada componente de la válvula de compuerta se muestra en la Tabla 1.
Figura 1 La estructura de la válvula de compuerta
Figura 2 El modelo de cálculo de elementos finitos de la válvula de compuerta
Tabla 1 El material para cada componente de la válvula de compuerta
1. Descripción general
Las válvulas de compuerta de grado nuclear son dispositivos importantes y ampliamente utilizados en sistemas de centrales nucleares, que se utilizan para conectar o cortar el fluido en la tubería. Debido a que estas válvulas se encuentran sometidas a altas temperaturas y presiones, es necesario analizar su resistencia al impacto para evitar deformaciones estructurales o fuerzas que excedan el valor admisible al ser sometidas a cargas de impacto.
El método tradicional de cálculo mediante fórmulas empíricas no puede reflejar con precisión las características de fuerza interna de la estructura del sistema. Para solucionar esta limitación, la tecnología de simulación por computadora se ha desarrollado rápidamente y se utiliza ampliamente en el análisis de la resistencia al impacto de estructuras de ingeniería. Actualmente, el análisis numérico de la resistencia al impacto de la válvula adopta principalmente el método estático equivalente, el método del espectro de respuesta y el método de simulación en el dominio del tiempo. Los métodos estático equivalente y del espectro de respuesta son sencillos y prácticos, y pueden reflejar con precisión la tensión y la deformación del sistema bajo carga de impacto.
El método de simulación en el dominio del tiempo ofrece una alta precisión de cálculo, pero el proceso de cálculo es relativamente complejo, lo cual resulta adecuado para el análisis del impacto de estructuras complejas. Utilizando el método estático equivalente, Xuelian Dong y otros realizaron una simulación numérica de válvulas de compuerta de cuña de grado nuclear y verificaron su rendimiento sísmico bajo carga sísmica. Yanpeng Lou y otros simularon y probaron la resistencia al impacto de la válvula de globo angular mediante el método de análisis del espectro de respuesta. Yuanyang Jiao y otros verificaron la resistencia al impacto de válvulas de globo marinas bajo diferentes cargas mediante análisis de elementos finitos basado en el método de simulación en el dominio del tiempo.
Actualmente, existen pocos estudios sobre la resistencia al impacto de las válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear en China. Por lo tanto, en este artículo se establece un modelo de elementos finitos para válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear. Mediante el análisis modal del sistema de válvulas de compuerta, se determina el método estático equivalente como método de análisis de impacto, considerando exhaustivamente la presión interna, la tensión térmica, la carga sísmica y la carga de impacto de diseño. La resistencia al impacto del sistema de válvulas de compuerta se evalúa analizando la respuesta armónica y las características estáticas del sistema.
2. Modelos y materiales de válvulas
Para mejorar la eficiencia del cálculo y garantizar la precisión de los resultados del análisis, se simplificó el modelo sólido de la válvula de compuerta; se ignoraron los pernos de conexión entre sus componentes y se eliminaron las características estructurales que no afectan los resultados del análisis de rendimiento, como el biselado y las esquinas redondeadas. El dispositivo eléctrico de la válvula de compuerta con estructura compleja se simplificó como un punto de masa, y el modelo sólido simplificado se muestra en la Figura 1. Al mismo tiempo, se estableció una condición de contorno simétrica para la válvula de compuerta y se tomó la mitad del modelo para el análisis. Se utilizó una malla no estructurada al dividir la malla debido a la gran curvatura de la estructura de la válvula de compuerta. La curvatura se eligió como función de tamaño. El tamaño máximo de la superficie se estableció en 4 mm. El número de elementos de la malla después de la división fue de 200765 y la masa del elemento fue de 0,83. La calidad de la malla es buena. Su modelo de cálculo de elementos finitos se muestra en la Figura 2. El material de cada componente de la válvula de compuerta se muestra en la Tabla 1.
Figura 1 La estructura de la válvula de compuerta
Figura 2 El modelo de cálculo de elementos finitos de la válvula de compuerta
Tabla 1 El material para cada componente de la válvula de compuerta
| Parámetros | Cuñas, capó de válvula y asientos | Vástagos de válvulas | Cuerpos de válvulas |
| Calificaciones | SA-182.F321 | SA-564.630 | SA-217.WC9 |
| Módulo elástico/GPA | 195 | 196 | 202 |
| Límite elástico MPa | 250 | 725 | 275 |
| Esfuerzo admisible MPa | 138 | 266 | 153 |
| Conductividad térmica/ (wm-1℃-1) | 19.0 | 22.5 | 36.2 |
| Coeficiente de expansión térmica/ (×10-6℃-1) | 17.1 | 10.7 | 15.6 |
3. Análisis de modelos
3.1 Condiciones de contorno
Para reflejar fielmente las características modales de la válvula de compuerta en estado abierto, la entrada y la salida se establecen como restricciones fijas. Dado que la tensión térmica y la presión positiva tienen poco efecto en la frecuencia natural de la válvula, el análisis modal del sistema de válvula de compuerta se realiza mediante el método sin pretensado.
3.2 Resultados de los cálculos y análisis
Analizando las características modales del sistema de válvula de compuerta en estado abierto, se pueden obtener la forma modal y la frecuencia natural del sistema. Los resultados del cálculo se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2 Las primeras seis frecuencias naturales de la válvula de compuerta
| Pedidos | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Frecuencia | 85.81 | 223.18 | 252,76 | 557.09 | 733.92 | 1102.00 |
Como se puede observar en la Tabla 2, la frecuencia natural de primer orden del sistema de válvula de compuerta es de 85,81 Hz, superior a 33 Hz. De acuerdo con los requisitos de ASME, el método estático equivalente permite evaluar la resistencia al impacto del sistema de válvula de compuerta considerando exhaustivamente el efecto combinado del peso de la válvula, la presión interna, la tensión térmica, la carga sísmica y la aceleración del impacto.
4. Análisis de respuesta armónica
4.1 Establecer condiciones de contorno
Para estudiar las características de respuesta en estado estacionario del sistema de válvula de compuerta bajo una carga de impacto que varía con el tiempo según la ley armónica simple, se realiza un análisis de respuesta armónica. En este análisis, la entrada y la salida de la válvula se establecen como restricciones fijas. Se adopta el método de superposición modal, ignorando la influencia de la tensión térmica en el sistema; la carga se aplica simultáneamente.
(1) Aplique una presión de diseño de 17,2 MPa a la pared interior de la válvula.
(2) La carga sísmica SSE de 4 g (condición de categoría D) y la aceleración de choque de diseño de 10 g (donde g es un valor estándar de aceleración de la gravedad) se aplican a las tres direcciones del sistema de válvula de compuerta.
4.2 Resultados de los cálculos y análisis
Bajo la acción de la presión de diseño, la carga sísmica y la carga de impacto de diseño, se extrajeron las curvas de respuesta de aceleración, tensión y deformación cambiadas con la frecuencia del cuerpo de la válvula y del asiento de la válvula en el límite de soporte de presión del sistema de válvula de compuerta, como se muestra en la Figura 3 y la Figura 4. Se puede ver en la Figura 3(a) y la Figura 4(a) que las aceleraciones del cuerpo de la válvula y del asiento de la válvula aumentaron con el aumento de la frecuencia y alcanzaron el valor máximo a 85 Hz. Se puede ver en la Tabla 2 que 85 Hz fue la frecuencia natural de primer orden del sistema de válvula de compuerta, y su forma modal vibró a la izquierda y a la derecha de la dirección X, es decir, la aceleración en la dirección X alcanzó el valor máximo, y los valores máximos de la aceleración en la dirección X del cuerpo de la válvula y del asiento de la válvula fueron 106630 mm/s2 y 3451,6 mm/s2. Se puede ver en las Figuras 3 y 4 que las curvas de respuesta de la tensión y la deformación del cuerpo de la válvula y el asiento de la válvula fueron consistentes con sus tendencias de cambio de aceleración. Cuando el cuerpo de la válvula estaba a 85 Hz, la respuesta de tensión en la dirección Y fue la mayor, con un valor máximo de 1,19 MPa; la respuesta de deformación en la dirección X fue la mayor, con un valor máximo de 0,37 mm. Cuando el asiento de la válvula estaba a 85 Hz, la respuesta de tensión y deformación en la dirección X fue la mayor, y las respuestas máximas de tensión y deformación fueron 0,59 MPa y 0,012 mm. Los resultados muestran que cuando el sistema de válvula de compuerta se sometió a la carga de impacto que cambió con la ley sinusoidal, la tensión y la deformación del cuerpo de la válvula límite de presión y el asiento de la válvula fueron pequeñas, mucho menores que el valor permitido de la especificación. El margen de seguridad estructural fue grande y la integridad del límite de presión del sistema de válvula de compuerta fue buena.
Figura 3 Curvas de respuesta de aceleraciones, tensiones y deformaciones del cuerpo de la válvula.
Figura 4 Curvas de respuesta de aceleraciones, tensiones y deformaciones del asiento de la válvula.
