【水暖阀门网讯】摘要：介绍了应用AnsysWorkbench软件对小口径电动截止阀进行固有频率模态分析的方法，论述了在阀门不同部位施加支撑对阀门抗震性能的影响。
1、概述
核电系统输送的流体介质主要有放射性水蒸汽、重水、辐照腐蚀物、稀硫酸、碱液和冷凝水等，如果核级阀门出现泄漏或故障等问题，后果将非常严重，所以对核电阀门的安全性提出严格要求，其中抗震性能是检验核电阀门是否合格的一项重要指标。相关规范要求，核电阀门整体的一阶固有频率应大于33Hz。本文以阀门本体较小，但驱动用电动装置较大的50mm（2in）小口径电动截止阀为研究对象，探讨阀门支撑位置对抗震性能的影响。
2、结构特点
小口径电动截止阀主要是由阀体、阀盖、支架和驱动装置等组成（图1），可以布置支撑的部位有阀门底部、连接电装的支架法兰（上部）和中法兰。因为中法兰作为承压边界，需要保持压力边界完整和密封，因此中法兰处不适宜作为支撑部位。
3、典型阀门固有频率分析
首先使用solidworks软件对阀门零件进行三维建模。考虑到对阀门固有频率起主要影响作用的为阀体、阀盖和电装等零件，而其他零件对模态分析结果影响较小，为简化模型，只对主要零件进行建模，并设置零件密度，得到零件的精确质量（图2）。然后将计算模型导入AnsysWorkbench中，电动装置采用质量点模拟，将质量点的质量设置为电装的质量49kg，将电装的重心尺寸添加到质量点上。模态热分析时，需设定的材料参数有密度、弹性模量和泊松比等。
网格采用自动划分方法，然后进行精细网格的划分，以获得较为精确的计算结果（图3）。
考虑到固有频率是阀门的固有特性，模拟阀门实际的约束状态为两端焊接到管道上，因此对阀门进行边界条件设置时，仅对阀体两端的接管末端截面固定约束，不考虑其他约束（图4）。
设置边界条件后，对模型进行计算，得出阀门的一阶频率为35 284Hz。小口径电动阀门由于自身结构的特性，固有频率刚刚满足合格要求，其基频大于33Hz，但其安全裕度较小，为了保证核电站的安全，通过附加支撑提高阀门抗震性能。
4、支撑分析
（1）底部支撑
阀门底部支撑的方法是在阀门底部焊接支撑板，用螺栓将其与地面固定，以提高阀门的刚度。运用AnsysWorkbench模拟阀门底部支撑的约束形式，在原模型其他条件不变的基础上添加一个底部固定约束。分析得出，阀门的一阶频率为38Hz，略有提高。
（2）上部支撑
阀门上部支撑是在与电装连接的法兰处加工环形槽，通过Ｕ形卡箍将阀门与墙壁用螺栓固定在一起，形成支撑（图5）。模拟阀门连接电装法兰处进行支撑的方式，在原模型其他条件不变的基础上添加一个上部固定约束。分析得出，阀门的一阶频率为446Hz，得到大大提高。
（3）振型
一般来说，分析的结构有几个自由度就有几阶模态，理论上阀门有无数个自由度，对应的模态也有无数阶。低频主要观察位移变化，中频对应速度变化，高频对应加速度变化，随着模态的增加，激发的难度也越来越高。观察阀门的前几阶阵型（图6，图7）进行分析。阀门无支撑时第一阶和第二阶固有频率分别为35 2Hz和43Hz，第三阶固有频率为217Hz，观察第一阶振型，阀盖摆动幅度最大，主要是沿着ｘ方向的摆动，阀体的摆动较小，前几阶振型类似。阀门施加上部支撑之后，阀门第一阶固有频率达到了446 27Hz，阀门整机可视为完全刚性，外部激励无法激发出阀门的一阶振型，阀体阀盖的摆动不明显。阀门施加底部支撑后，第一，二阶固有频率分别为38 6Hz和46 37Hz，第三阶固有频率上升到218Hz，相对于无支架的情况，固有频率有很小程度的提高，各阶振型与无支架情况基本相同。根据原始三维模型分析，在阀门上部设置支撑离阀门整机重心更为接近。由此推断，支撑位置离整机重心越近，对抗震性能的提高越有利。
（4）截面等效应力
采用等效静力法对阀门的危险截面进行应力分析。对原模型添加载荷和约束，考虑地震时阀门受到重力的影响，X、Y、Z三个方向地震加速均为4g，同时考虑内压、管端约束、操作力和扭矩的影响，对阀门进行等效应力分析。
无支撑时阀门的应力集中在阀体拐角处和支架与法兰连接的根部区域，添加上部支撑后应力集中大大降低，添加底部支撑后阀门的应力集中与不添加支撑相差较小（图8）。
（5）危险截面应力
选取无支撑时阀门应力集中的危险截面阀体拐角处和立柱处进行分析。分别取路径1阀体弯曲处沿壁厚由内向外，路径2阀体上部沿壁厚由内向外水平截面。分析确定，上部加支撑以后，阀体和支架处的最大应力大幅度降低，底部加支撑后阀体和支架处的应力与无支撑时基本一致（表1，表2）。
分析论证，试验用介质需要尽量与实际阀门运行条件一致。
（2）阀门杂质流体试验过程中需要注意杂质搅拌箱的设计，使杂质能均匀地吸入阀门试验管路。
（3）试验回路设计上应避免大的高差与弯角，以免杂质沉积影响试验效果，甚至无法被夹带进入试验阀门，导致杂质取样浓度达不到要求。
（4）阀门杂质流体试验台通过了对核电站高压安注调节阀的鉴定试验，表明试验方法切实可行，能够达到标准要求。
试验台以及试验方法能够完成其他节流设备在杂质流体环境下的堵塞鉴定试验。（来源：《阀门》，作者：中核苏阀科技实业股份有限公司 王悦琴）
