Resistencia a los impactos de las válvulas de compuerta eléctricas de grado nuclear (segunda parte)
5. Análisis estático
5.1 Establecimiento de condiciones de contorno
En el proceso de análisis estático, la entrada y la salida del válvula de compuerta se establecen como restricciones fijas y la carga se aplica al sistema de válvula de compuerta como se muestra en la Figura 5.
(1) Considerando el peso de la válvula, aplique una aceleración gravitacional estándar g.
(2) Aplique una presión de diseño de 17,2 MPa y una temperatura de diseño de 350 ℃ a la pared interior de la válvula de compuerta.
(3) Se aplican una carga sísmica SSE de 4 g (condición de tipo D) y una carga de choque de diseño de 10 g a las tres direcciones del sistema de válvula de compuerta.
La tensión térmica generada por la diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior de la válvula de compuerta se aplica al sistema mediante el acoplamiento unidireccional de calor y estructura, y el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie exterior de la válvula de compuerta y el aire es de 5 W/(m²·K). La imagen de la nube de temperatura de la válvula de compuerta se muestra en la Figura 6.
Figura 5 Restricciones y cargas
Figura 6 Imagen en la nube de la temperatura de la válvula de compuerta
5.2 Resultados del análisis y evaluación
De acuerdo con las condiciones de diseño de la Sección 5.1, la deformación total general y la tensión equivalente del sistema de válvula de compuerta eléctrica de nivel nuclear se obtienen mediante análisis de elementos finitos, como se muestra en la Figura 7.
(a) Deformación total (b) Estrés
Figura 7 Resultados del análisis de la deformación total y la tensión de la válvula de compuerta.
Se puede ver en la Figura 7(a) que bajo la acción de pesos propios, presión interna, tensión térmica, carga sísmica y carga de impacto, la deformación general del sistema de válvula de compuerta se concentra principalmente en la mitad superior del bonete de la válvula, y la cantidad máxima de deformación es de 0,72 mm. La deformación del cuerpo de la válvula, el asiento de la válvula y la cuña es pequeña, lo que no afectará el rendimiento del sistema de válvula de compuerta. Se puede ver en la Figura 7(b) que bajo las cargas anteriores, la tensión equivalente del sistema de válvula de compuerta se concentra principalmente en el cuerpo de la válvula y el asiento de la válvula, y el valor de tensión general es pequeño. El efecto de expansión térmica no se puede liberar debido a las restricciones fijas aplicadas en la entrada y salida del asiento de la válvula, lo que resulta en una gran tensión. Por lo tanto, al evaluar el orificio de fuerza por el asiento de la válvula, se evalúa principalmente la distribución de la tensión de la conexión entre el asiento de la válvula y el cuerpo de la válvula. En las piezas de conexión entre el cuerpo de la válvula y el asiento, los valores máximos de tensión son de 276,5 MPa y 250,9 MPa, ligeramente superiores al límite elástico de los materiales del cuerpo y del asiento, lo que provoca una concentración parcial de tensiones. Aumentar el filete de la pieza de concentración de tensiones o ajustar su estructura puede reducir el grado de concentración de tensiones.
Para evaluar con mayor detalle la resistencia al impacto del sistema de válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear, se seleccionaron las líneas de evaluación de tensión (Figura 8) en las secciones peligrosas del cuerpo y el asiento de la válvula en el límite de presión de la válvula nuclear, y se realizó la evaluación de tensión lineal de acuerdo con los requisitos del código ASME. Los resultados del cálculo de la línea de evaluación de tensión se muestran en las Figuras 9 a 11. Dado que la combinación de carga del sistema de válvula de compuerta adopta la condición de accidente límite de categoría D, el criterio de evaluación de tensión es que la tensión de membrana σm sea menor que 1,5S, y la suma de la tensión de membrana y la tensión de flexión sea menor que 1,8S, es decir, σm más σb son menores que 1,8S, donde S es la tensión admisible del material. Los resultados de la evaluación de la línea de evaluación de tensión en la sección peligrosa se muestran en la Tabla 3.
(a) Línea de evaluación de tensión 1 de los cuerpos de las válvulas (b) Línea de evaluación de tensión 2 de los cuerpos de las válvulas
(c) Líneas de evaluación de tensiones de los cuerpos de válvulas
Figura 8 Selección de líneas de evaluación de tensión en secciones peligrosas de cuerpos y asientos de válvulas
Figura 9 Curva de distribución de tensión de la línea de evaluación de tensión 1 de los cuerpos de válvulas
Figura 10 Curva de distribución de tensión de la línea de evaluación de tensión 2 de los cuerpos de válvulas
Figura 11 Curva de distribución de tensión de las líneas de evaluación de tensión de los cuerpos de válvulas
Tabla 3 Resultados de la evaluación de la línea de evaluación de esfuerzos en la sección peligrosa
5.1 Establecimiento de condiciones de contorno
En el proceso de análisis estático, la entrada y la salida del válvula de compuerta se establecen como restricciones fijas y la carga se aplica al sistema de válvula de compuerta como se muestra en la Figura 5.
(1) Considerando el peso de la válvula, aplique una aceleración gravitacional estándar g.
(2) Aplique una presión de diseño de 17,2 MPa y una temperatura de diseño de 350 ℃ a la pared interior de la válvula de compuerta.
(3) Se aplican una carga sísmica SSE de 4 g (condición de tipo D) y una carga de choque de diseño de 10 g a las tres direcciones del sistema de válvula de compuerta.
La tensión térmica generada por la diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior de la válvula de compuerta se aplica al sistema mediante el acoplamiento unidireccional de calor y estructura, y el coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie exterior de la válvula de compuerta y el aire es de 5 W/(m²·K). La imagen de la nube de temperatura de la válvula de compuerta se muestra en la Figura 6.
Figura 5 Restricciones y cargas
Figura 6 Imagen en la nube de la temperatura de la válvula de compuerta
5.2 Resultados del análisis y evaluación
De acuerdo con las condiciones de diseño de la Sección 5.1, la deformación total general y la tensión equivalente del sistema de válvula de compuerta eléctrica de nivel nuclear se obtienen mediante análisis de elementos finitos, como se muestra en la Figura 7.
(a) Deformación total (b) Estrés
Figura 7 Resultados del análisis de la deformación total y la tensión de la válvula de compuerta.
Se puede ver en la Figura 7(a) que bajo la acción de pesos propios, presión interna, tensión térmica, carga sísmica y carga de impacto, la deformación general del sistema de válvula de compuerta se concentra principalmente en la mitad superior del bonete de la válvula, y la cantidad máxima de deformación es de 0,72 mm. La deformación del cuerpo de la válvula, el asiento de la válvula y la cuña es pequeña, lo que no afectará el rendimiento del sistema de válvula de compuerta. Se puede ver en la Figura 7(b) que bajo las cargas anteriores, la tensión equivalente del sistema de válvula de compuerta se concentra principalmente en el cuerpo de la válvula y el asiento de la válvula, y el valor de tensión general es pequeño. El efecto de expansión térmica no se puede liberar debido a las restricciones fijas aplicadas en la entrada y salida del asiento de la válvula, lo que resulta en una gran tensión. Por lo tanto, al evaluar el orificio de fuerza por el asiento de la válvula, se evalúa principalmente la distribución de la tensión de la conexión entre el asiento de la válvula y el cuerpo de la válvula. En las piezas de conexión entre el cuerpo de la válvula y el asiento, los valores máximos de tensión son de 276,5 MPa y 250,9 MPa, ligeramente superiores al límite elástico de los materiales del cuerpo y del asiento, lo que provoca una concentración parcial de tensiones. Aumentar el filete de la pieza de concentración de tensiones o ajustar su estructura puede reducir el grado de concentración de tensiones.
Para evaluar con mayor detalle la resistencia al impacto del sistema de válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear, se seleccionaron las líneas de evaluación de tensión (Figura 8) en las secciones peligrosas del cuerpo y el asiento de la válvula en el límite de presión de la válvula nuclear, y se realizó la evaluación de tensión lineal de acuerdo con los requisitos del código ASME. Los resultados del cálculo de la línea de evaluación de tensión se muestran en las Figuras 9 a 11. Dado que la combinación de carga del sistema de válvula de compuerta adopta la condición de accidente límite de categoría D, el criterio de evaluación de tensión es que la tensión de membrana σm sea menor que 1,5S, y la suma de la tensión de membrana y la tensión de flexión sea menor que 1,8S, es decir, σm más σb son menores que 1,8S, donde S es la tensión admisible del material. Los resultados de la evaluación de la línea de evaluación de tensión en la sección peligrosa se muestran en la Tabla 3.
(a) Línea de evaluación de tensión 1 de los cuerpos de las válvulas (b) Línea de evaluación de tensión 2 de los cuerpos de las válvulas
(c) Líneas de evaluación de tensiones de los cuerpos de válvulas
Figura 8 Selección de líneas de evaluación de tensión en secciones peligrosas de cuerpos y asientos de válvulas
Figura 9 Curva de distribución de tensión de la línea de evaluación de tensión 1 de los cuerpos de válvulas
Figura 10 Curva de distribución de tensión de la línea de evaluación de tensión 2 de los cuerpos de válvulas
Figura 11 Curva de distribución de tensión de las líneas de evaluación de tensión de los cuerpos de válvulas
Tabla 3 Resultados de la evaluación de la línea de evaluación de esfuerzos en la sección peligrosa
| Líneas de evaluación de tensiones de cuerpos de válvulas | Valores calculados | Valores permitidos | Valores calculados | Valores permitidos |
| Línea 1 de evaluación de tensiones de cuerpos de válvulas | 128.9 | 229.5 | 270.7 | 275.4 |
| Línea 2 de evaluación de tensiones de cuerpos de válvulas | 165.1 | 229.5 | 270.3 | 275.4 |
| Líneas de evaluación de tensiones de asientos de válvulas | 77.8 | 207 | 115.5 | 248.4 |
La Tabla 3 muestra que, bajo la carga combinada de impacto, la tensión máxima en la sección peligrosa del cuerpo y el asiento de la válvula es menor que el valor de tensión admisible, lo que garantiza la resistencia estructural y el límite de presión del sistema de válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear en condiciones de impacto máximo. Se cumplen los requisitos de resistencia al impacto del sistema de válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear.
6. Conclusión
(1) Se utiliza el software ANSYS Workbench para calcular la forma modal y la frecuencia natural de la válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear. Los resultados muestran que el método estático equivalente puede utilizarse para analizar la resistencia al impacto de la válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear bajo carga combinada.
(2) Mediante el análisis de la respuesta armónica del sistema de válvulas de compuerta, se concluye que, cuando el límite de presión (cuerpos y asientos de válvulas) se somete a una carga de impacto que varía con el tiempo según la ley armónica simple, la tensión y la deformación generadas son pequeñas, y la estructura es segura. El margen de seguridad es amplio.
(3) Según el cálculo de simulación del método estático equivalente, la válvula de compuerta eléctrica de grado nuclear se somete a la deformación total y la tensión equivalente bajo la acción de la presión interna, la tensión térmica, el peso propio, la carga sísmica SSE y la carga de impacto de diseño en estado abierto. Los resultados muestran que, bajo el impacto de las cargas anteriores, la deformación general del sistema de la válvula de compuerta se concentra principalmente en la parte superior del bonete de la válvula; la deformación máxima es de 0,72 mm y la deformación de otras partes es pequeña. Después de ser impactado por la carga combinada, la distribución de la tensión del sistema de la válvula de compuerta se concentra principalmente en el cuerpo de la válvula y el asiento de la válvula, y el valor de la tensión máxima de ambos es ligeramente mayor que el límite elástico del material, lo que resulta en una concentración parcial de la tensión. Aumentar el filete de la parte de concentración de tensión puede reducir el grado de concentración de tensión.
(4) La resistencia al impacto del sistema de válvula de compuerta se evalúa adicionalmente seleccionando la línea de evaluación de tensión en la sección peligrosa del límite de presión de la válvula (cuerpos y asientos de válvula). Los resultados muestran que, en las condiciones de diseño, la integridad del límite de presión del sistema de válvula de compuerta de grado nuclear se mantiene correctamente y su resistencia al impacto cumple con los requisitos de diseño.
