【水暖阀门网讯】
引言
日本核电技师平井宪夫在福岛事故前出版的的《核电员工最后遗言：福岛事故十五年前的灾难预告》的一书中对以一个行内人的角度对核电的薄弱之处作了说明，其中重点提及了核电站内密密麻麻分布的管线和阀门，因为地震的发生会对这些部件的运行造成影响，继而会对核电站的正常安全运行带来风险，那么核电行业是如何评价地震会阀门设备的影响呢？本文的研究致力于提供一种更加精确且成本更低的建模分析方法来取代目前常用的试验测量方法，从而更好地评价地震对阀门设备的影响。
核能供应商对确定阀门组件固有频率（NF）的方法非常感兴趣。由于地震活动会对核电厂的正常安全运行带来较大的风险，因此，在第三代核电机组设计中，相关设备的技术规格书要求阀门的制造商利用经验方法或采用经过试验验证的计算方法确定其产品（阀门组件）的固有频率。工业界的专家、电厂业主和设备制造厂正在合作开展研究，以了解地震活动引起的低频振动是如何影响阀门甚至导致阀门功能失效的。
目前，经验方法或现场实测方法是确定阀门固有频率公认的、最可靠的手段，但是其应用范围受时间和成本的限制。由于核电厂内的阀门数量十分巨大且阀门间的设计存在很大的差异性，对这些阀门进行全面的测试是很困难的。因此，采用经过试验验证的分析方法对阀门固有频率进行估计就显得很有必要了。
估计阀门的固有频率的方法
在三代核电厂设计中，应用于核岛中的阀门组件需要证明其满足最小的固有频率的要求。这些验证工作可以通过试验、分析或者同时使用这两种方法来达成。通常情况下，阀门固有频率不能小于33Hz。但是，对于特定的情况，阀门组件的固有频率可能在这个值附近变动。如果阀门产品满足最小固有频率的要求，则该阀门组件被认为是“弹性”的，反之认为是“刚性”的。
Ezekoye方法
过去最常用的估计阀门固有频率的分析方法是Ezekoye方法[1]。Ezekoye方法中，根据Rayleigh原理，质点或集中质量模型假设阀门组件的重心位于阀杆中心线上。因此，这种分析方法只能应用于阀门上的附加组件是位于阀杆中心线正上方且没有伸出质量的阀门组件结构（如图1）。将Ezekoye方法应用于重心不在阀杆中心线上的阀门组件时（如图2，重心偏离了阀杆中心线），其倾向于过高估计阀门组件的固有频率。所以，对于所有的几何结构不规则的阀门组件（包括含有结合齿轮或电动机执行机构的阀门组件），Ezekoye方法都是不适用的。
图1
图2
改进的方法
Westinghouse和Flowserve公司的设计工程师所开展的研究工作通过考虑阀门的伸出质量和物体行程的方法来扩大了Ezekoye方法的适用范围，从而解决上述问题。实际上针对Ezekoye方法的改进远不止这一种，但是通过对多种不同阀门设计开展宽频谱的测试后发现，这种改进方法所估算的结果和实测值是最接近的。这种改进的方法通过考虑阀体、上部结构和执行机构的质量惯性，扩展了Ezekoye方法的适用范围，从而更加准确地模拟了作用在阀门上动力学效应。
在最初的Ezekoye方法中，假设阀体是刚性的，其对整个阀门组件的固有频率的贡献可忽略。这就意味着，阀门组件的固有频率是由安装执行机构的结构件来决定的（例如图1中的上部结构）。结果就是，Ezekoye方法只考虑了阀门上部结构的固有频率。换句话说，这种方法只考虑了支架、执行机构以及其他一些附属结构的重量和重心对阀门固有频率的贡献。
尽管不同阀门供应商的阀门设计不尽相同，但是应用最多还是两腿式支架设计，保证阀杆和填料件能够不受约束地自由活动。最初的Ezekoye方法将支架描述为悬臂框架结构，通过梁和框架两方向模态来对阀门固有频率进行描述（如图3）。但是，试验结果表明，阀门的固有频率受到了阀体弯曲和扭转的影响，并且执行机构的惯性也需要考虑。
改进后的Ezekoye方法不但考虑了由执行机构的惯性引起的支架摇摆和扭转运动中的扭转效应，同时也考虑了阀体的弯曲和扭转运动。分别计算这些运动各自的固有频率，然后将其进行合成，就可以比较准确地计算出阀门组件整体的固有频率。
图3
有限元分析FEA
有限元分析（FEA）是解决复杂的结构力学问题的成熟的且通用的技术手段。尽管试验测得的经验关系式及传统的计算方法有存在的必要性，但是与阀门固有频率试验值相比，通过有限元分析方法可以得到较为合理的阀门固有频率。
但是与其他的分析方法相比，有限元分析方法难度较大，耗费时间长，且成本较高。由于核电厂中阀门庞大的数量、繁杂的形式和尺寸的差异，并考虑到购买软件使用许可和建模工具的成本，以及开发精确的计算模型所需支付的分析人员人力成本，如果采用FEA方法计算每个阀门的固有频率，总的开支将十分巨大。
同样，经验测试方法也存在与FEA方法同样的问题。
对几种方法的比较
为了对Ezekoye方法和在其基础上改进的分析方法进行比较，通过实测和经验测试方法对几种选定的阀门组件进行固有频率的测定，并以测量结果作为比较的基准。测试过程包括使用重量和尖端硬度都适宜的锤子对抽样的阀门施加冲击，通过测量阀门结构对锤子施加载荷输入的响应数据来确定其固有频率。
表1中对实测得到的阀门组件最小固有频率与Ezekoye方法（只考虑上部结构）及改进的分析方法（整个阀门组件）计算得到固有频率进行了比较。改进的分析方法考虑了执行机构的重心偏移所导致的惯性。对象为使用电机驱动的3号闸阀和4号球阀，测量了两种模态（悬臂和框架）。与测试结果的对比表明，相对于Ezekoye方法，改进后的分析方法的计算结果的准确性得到了很大较大的提高，并且其计算值与实测值的符合性较好。
表1
此外，针对更多不同尺寸的阀门开展了测试值和计算值的比较工作，其中计算分别采用了有限元法和上面提到的改进后的分析方法。有限元法采用了ANSYS 12.1软件对多种不同的阀门组件的复杂几何结构和柔度进行了建模，并分别对阀门支腿平行和垂直于管路的两种情况分别进行了实测。FEA方法分别对有无固定夹具的情况进行了评价，以便能够了解基础柔度对结果的影响。计算结果表明（如表2），在基础效应较弱的情况下，改进的分析方法与有限元法和实测结果都有很好的一致性[3]。
表2
总的来说，对于尺寸较小的阀门，计算结果与实测值符合较好。而对于尺寸较大阀门，计算结果与实测值出现了偏离，主要是受支撑基础柔度的影响。Wyle实验室（美国专门对核级阀门进行测试的机构）的工程师对这个问题开展了更加深入的研究，有以下发现：
1、当阀门完全没有支撑时，模态振型主要反映了阀门重心的弯曲；当对阀门的入口和出口位置进行支撑时，其弯曲主要出现在入口和出口。
2、最难进行支撑的阀门包括：执行机构重量较大的阀门、管道接口小于3NPS的阀门（小口径阀门）以及管道接口大于12NPS的阀门（大口径阀门）。对于小尺寸的阀门，安装法兰相当于通过固定夹具增加了阀门的柔度。
3、在考虑阀门的分析模型时最常出现的错误就是忽略了重量较大的执行机构引入的惯性。
理想情况下，阀门的固有频率当然应该通过试验方法获得，因为这样可以完整地考虑到整个阀门组件的柔度。尽管测试结果对固定夹具基座的柔度很敏感并且很难量化。与分析方法相比，试验方法成本更高且耗费的时间较长。
由于复杂几何结构的柔度已经可以精确测量，FEA方法的适用范围更广。但是，对数量庞大的零件及附件进行建模也是一件非常艰巨的任务。目前，在很多工业领域中，FEA方法已经被广泛接受，但是必须经过与试验方法及计算分析方法的对比。
但是，考虑到有限元分析软件的许可证费用、对建模工具的需求以及建立分析模型所需的时间成本，FEA方法还是有一点昂贵的。
对于前面提到的两种基于Rayleigh原理的分析方法，改进的分析方法显然远优于最初的Ezekoye方法，并且其计算结果与试验方法的测量值有较高的符合性（在基座效应较小的前提下）。虽然计算过程的细节也比较繁琐，但是其也经得起任何方面的验证。独立的第三方实验室的测试结果表明，这种改进的分析方法广泛适用于多种不同的阀门设计及执行机构。其计算结果是可信的。同时，与试验方法以及FEA方法相比，其使用成本更低，效率更高。
地震活动对阀门组件整体的运行及安全性的影响是包括核电运营商（以及对安全、健康和环境非常敏感的碳氢化合物及化学过程设施）在内的很多方面所非常关心的问题。因此，必须对这些设施中的阀门固有频率及共振风险进行评估。所需要开展的试验测试或者需要进行分析计算很大程度上取决于行业的监管机构颁布的规范、运营商的要求以及设计者的偏好。
由Westinghouse和Flowserve的工程师所开发的改进型分析计算方法的计算结果的精度和可靠性都比较理想，与通过试验获得的经验关系式以及广泛使用的FEA方法的计算结果相比，其符合性很好。
