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题目：上装式核电球阀的结构分析

[摘要]： 首先介绍了核电阀门发展背景，阐述了核电阀门设计课题的目的和意义。其次，指出国内国外阀门设计发展史中，计算机仿真技术和有限元分析技术应用以及国内外核电阀门设计标准规范的发展进程不同。随后，在如今复杂的工程领域中，说明有限元软件ANSYS在核电阀门结构分析的不同研究方向，譬如，模态分析和测量核电阀门对流场各方面的影响等等。最后，ANSYS在核电阀门结构分析方面已经有很多研究人员进行了探索和使用，我举出一些研究人ANSYS在核电阀门分析应用。

关键词：核电阀门，有限元，ANSYS

1. 前言

全球石油、天然气价格居高不下，煤炭的使用因环保问题而被限制，作为一种高效、清洁能源的核电，受到能源巨大需求的拉动而再次受到世界的瞩目。根据世界核协会（WNA）网站提供的资料，截至2019年6月1日，全球共有30个国家运行着446台核电机组，总净装机容量为397.5 GWe，2018年全球核发电量约为2563 TWh，其中核发电量最多的国家是美国，2018年的核发电量为808 TWh，占全球核发电量的31.5%。法国和中国的核发电量紧随其后，分别为395.9 TWh和277.1 TWh。这三个国家的核发电量占全球核发电量的58%^[1]。核电发展从二十世纪五十年代的实验、起步阶段再到二十世纪七十年代的迅速发展阶段，一帆风顺，没有出现重大安全事故。但是，到了1979年，美国发生了三哩岛核电厂事故。1986年4月，苏联又发生了切尔诺贝利核电厂事故。就因为如此，我国始终坚持以最高的国际安全标准来设计、建造、运行核电站。1985年，我国开始建造第一座核电站——秦山核电站。由于我国核电事业起步晚，我国现有的多为采用二代改进技术的核电站。核电设备的生产和设备的可靠性的检验在核电发展的过程中，放在首要位置。尽管目前中国已经能够生产部分核级阀门，但跟世界先进水平的国家相比还有较大的差距。所以，不仅需要国家大力推进核级阀门国产化的步伐，而且对每一种核电设备进行结构分析和检测也是必不可少的。

核电阀门具有隔离流体介质管路、阻隔载热剂的功能，这项功能对于核电站的正常运行具有关键性作用。核电阀门除了工作环境复杂之外，苛刻的环境也是其面临的一个难题，例如传输介质的放射性、巨大的压力和高温等。核电阀门运输的介质主要是重水、饱和的蒸汽、放射性的物质、冷凝水、碱液和稀硫酸等^[2]。因此，核电阀门比常规的大型火力发电站用的阀门无论是技术特点还是技术要求都要高^[3]。

核电阀门的结构分析，主要是通过计算机模拟技术和有限元分析技术，有限元分析软件中最常见的是ANSYS。在1963年，ANSYS的创办人John Swanson博士为某个核子反应火箭作应力分析，写了一些程序来计算加载温度和压力的结构应力和变位，并在外来的几年里，建立在Wilson博士原有的有限元素法热传导程序上，扩充了不少三维分析的程序，包括了板壳，非线性，塑性，潜变，动态全程等。在ANSYS的不断发展过程中，ANSYS逐渐成为了工业设计中不可或缺的软件。

1. 国内外研究概况

世界上第一台用于发电地核反应堆式美国爱达荷州地实验型增值反应堆，该反应堆于1951年开始。而中国第一座核电站是1985年开始建设的泰山核电站，美国整整比中国早发展近34年。而在电力构成上，一些小的发达国家的核电构成比例非常大，有的甚至达到60%以上。我国去年核电站发电达到4874万千瓦^[4]。我国在电力构成上，核电占比过低，与发达国家相比，还用待提高。

美国开创了将的先河。有限元单元法最初是在二十世纪五十年代作为处理固体力学问题的方法出现的。通过计算机模拟技术以及有限元技术分析阀门结构，在地震载荷及设计组合载荷作用下，可以得出阀门结构完整性和可行性的分析结果，并且计算出阀门整体及其主要部件的模态等其他结构分析计算结果，由此大大缩短了核电设备设计的周期。

我国核电发展虽然起步晚，但是可以借鉴美国前苏联的核电站发展经验，我国无论是核电设备标准，还是计算机对核电设备的辅助计算都有了方向。我国在1983年，中科院数学研究院开始研发程序自动生成技术（如今有限分析软件的前生）。到了1994年，程序自动生成技术获得中国科学院技术进步二等奖^[5]，我国这才打破了国外的技术垄断。

由于在二十世纪八十年代，美国和前苏联的核电站出现了重大事故。我国将安全放在核电站发展的重中之重。核安全级阀门是核电站中重要的安全设备之一。而在核电阀门中，上装式电动球阀主要应用于安全壳喷淋系统（ESC）。安全壳喷淋系统的主要功能是在发生LOCA或安全壳内蒸汽管道破裂事故情况下，高温、高压的蒸汽喷放出来，使安全壳内压力和温度升高，此时通过喷淋冷凝蒸汽，使安全壳内压力和温度降低到可接受的水平，确保安全壳的完整性。上装式电动球阀主要起接通、阻断管路中的介质作用，这就需要阀门具有极高的稳定性和可靠性，并且在各种工况下都能够正常地运行^[6]。根据阀门设计制造过程中的标准（RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则^[7]，ASME QME-1《核电厂能动机械设备的鉴定》^[8]等等)，核电站的核级能动设备必须通过分析、实验、检验，以确保核电设备在恶劣工况下能够保证结构的完整性和可行性。