穿地阀抗震试验支架工装设计及分析

核化工工程中，穿地阀是在较高放射性和较强腐蚀性工作环境下运行的重要设备，属于一种通过传动装置穿过辐射防护屏蔽层的特殊阀门。穿地阀分为放化安全级穿地阀（放化1级、放化2级）和非放化安全级穿地阀，其中，放化1级穿地阀是包容大量放射性物质且失效会导致事故工况的阀门，也是用于防止事故工况或减轻事故工况的阀门；放化2级穿地阀是包容少量放射性物质且失效会导致事故工况的阀门，也是用于防止事故工况或减轻事故工况的阀门。有特殊要求的非安全级阀门是与安全相关的重要阀门，但其失效不会使相关人员受到的辐照剂量超过规定限值。为防止阀门在发生地震时出现严重泄漏现象，需要针对阀门的抗震性能进行优化。

穿地阀的阀杆穿过一定厚度的辐射防护屏蔽层竖直安装，其穿地部分通过浇筑混凝土固定。为了准确评估穿地阀的抗震性能，需设计专用的抗震试验支架工装，并结合有限元模拟软件的计算结果，以模拟实际安装条件为准则，满足现有试验台的安装需求。有限元分析方法凭借其低成本且高可靠性的优势在阀门抗震领域得到了广泛应用。章茂森等使用ANSYS中的反应谱分析方法对核级仪表阀在地震载荷下的响应进行计算。Yang等使用时程分析方法对晶体管阀的抗震性能进行了评估。孙卓成等应用ANSYS软件，利用瞬态动力学方法对核级泄压截止阀的抗震性能开展了分析。

同时，开展现场试验是核级阀门抗震性能合格的充分条件，国内外学者针对核级阀门的抗震性能展开了各种试验工作。李琦等以某电动阀为对象，研究了不同类型阀门的抗震试验结果的差异，发现阀门在连续正弦波激励下的响应大于单频正弦拍波和多频波激励下的响应。张丽芹等详细阐述了针对阀门核心部件电磁阀与行程开关开展的正弦拍波试验的实施细节及试验结果。Kojima等通过振动台试验，对多种型号电动阀门驱动机构的极限抗震性能开展了系统性研究，指出在20g地震加速度输入作用下，所测试的驱动机构仍能维持其运行功能。王宗永等对广义能动核级笼式调节阀进行抗震试验和震后功能检测试验，证明了华龙一号堆腔注水系统所使用的广义非能动核级笼式调节阀在震动后的可操作性和功能稳定性。

综合考虑穿地阀的特殊安装场景与核安全级设备的严苛抗震要求，现有通用试验工装难以精准复现其穿地结构与混凝土屏蔽层的约束效应，从而导致抗震性能评估结果的准确性受限。针对某型快速检修用气动穿地隔离阀的抗震试验需求，本文聚焦支架工装的结构设计与力学可靠性，通过明确工装需满足的频率匹配、载荷承载等核心指标，采用ANSYS有限元软件构建工装与阀门的耦合力学模型，系统开展模态分析、地震应力计算及螺栓强度校核，并依据RCC-M规范及相关行业标准进行多工况下的性能评定，最终通过试验验证了工装的实用性与稳定性，为核安全级穿地阀抗震试验的标准化实施提供技术支撑。

本文以某型快速检修用气动穿地隔离阀为例，开展抗震试验支架工装的设计、分析与评定。穿地阀主要由阀门本体、穿地结构、气动执行机构等组成，穿地结构通过浇筑900 mm高的混凝土安装固定，如图1所示。抗震试验支架工装的设计应充分考虑穿地阀的结构特点和安装方式，以确保试验所得穿地阀的力学性能准确且可靠。

图1   穿地阀结构示意图

3.1   支架工装结构要求

抗震试验支架工装用于在地震试验时安装穿地阀，应满足的功能需求包括：

（1）模拟实际安装条件，以满足穿地阀的试验需求，确保试验结果真实可靠。

（2）地震试验时，支架工装在各方向的主振频率应高于楼层反应谱的零周期频率。

基于上述要求及地震台的安装需求，将支架工装设计为可装卡穿地阀的钢架结构，支架工装采用模块化钢架结构设计。结构布局严格遵循穿地阀的受力特性，支撑点与实际安装的受力支点一一对应，确保试验时阀门的受力姿态与现场安装工况一致；同时，框架结构采用对称式设计，可有效分散地震载荷下的集中应力，避免局部结构过载，提升工装整体力学的稳定性。基于力学性能稳定性、批量加工成本以及材料强度性能考虑，为满足抗震试验载荷要求，各零部件材料均为Q235B。连接方式为螺栓刚性连接，内部连接螺栓为8.8级，工装设计充分考虑现有抗震试验台的安装条件，采用标准化螺栓连接接口，可直接与试验台固定装置匹配，无需额外改造试验设备，支架工装与穿地阀的安装结构见图2。

图2   支架工装与穿地阀安装结构示意图

工装应能尽量模拟设备的实际安装工况，在某些关键部位需要进行特殊结构设计，表1为部分关键部位的工装与实际现场的对比。

表1   工装关键部位实际对比

3.2   力学分析模型

（1）总体模型

本文采用ANSYS程序建立力学分析模型，因重点关注支架工装的力学分析，对穿地阀的建模仅保证其质量、质心与实际结构一致。模型采用SHELL181单元模拟支架工装的板材结构，采用BEAM188单元模拟支架工装的型钢结构、连接螺栓和穿地阀。

（2）边界条件

对支架工装底板连接螺栓位置的节点约束其平动位移，模拟螺栓连接。

（3）材料性能

模型中所用材料在常温下的力学性能参数如表2所示。其中，F_tb为螺栓的许用拉伸应力，F_vb为螺栓的许用剪切应力。

表2   材料特性及基本许用应力

（4）计算载荷

在地震试验中，支架工装仅承受重力和地震载荷。重力加速度g取9.81 m/s²，地震载荷保守选取为计算楼层反应谱的1.5倍，SL1地震反应谱的阻尼比为2%，SL2地震反应谱的阻尼比为4%。各工况的载荷组合条件见表3，包络后的计算楼层反应谱如表4和表5所示。

表3   载荷组合及准则级别

表4   计算楼层反应谱（SL1）

表5   计算楼层反应谱（SL2）

（5）应力评定准则

按照RCC-M规范，S2级板壳型支承件的应力限值见表6，设备基础螺栓应力评定准则见表7。

表6   S2级板壳型支承件的应力限值

表7   设备基础螺栓应力评定准则

4.1   模态分析结果

支架工装和穿地阀整体模型的质量为5235.6 kg，模态分析得到的结构动态特性结果见表8，各方向的主振型如图3所示。由表8可知，结构在X方向的主振频率为120.64 Hz，Y方向的主振频率为104.78 Hz，Z方向的主振频率为122.36 Hz。支架工装和穿地阀安装后，三个方向的主振频率均高于反应谱的零周期频率，满足设计要求。

表8   结构的动态特性

(a)

(b)

(c)

(a)X方向   (b)Y方向   (c)Z方向

图3   结构在三个方向的主振型

4.2   应力分析结果

采用谱分析法计算支架工装和穿地阀结构在地震载荷作用下的应力，取结构前20阶模态展开，分别输入X、Y、Z三个方向的地震载荷计算，得到结构各方向的应力结果，按照SRSS（平方和开根）的方法进行振型组合，得到结构在三个方向地震载荷共同作用下的应力结果。将结构在自重载荷下的静力分析结果与本节计算的结构在OBE和SSE地震载荷下的分析结果进行组合，得到结构在各种载荷组合下的应力结果。以下重点关注支架工装的应力强度。

在B级工况下，支架工装一次薄膜应力的限值为1.0S=93.75 MPa，一次薄膜加弯曲应力的限值为1.5S=140.63 MPa，支架工装在B级工况下的应力计算结果见表9，应力分布见图4。计算结果表明，支架工装在B级工况载荷下的应力满足规范要求。

表9   B级工况应力计算结果与评定

(a)

(b)

(a)薄膜应力   (b)薄膜加弯曲应力

图4   B级工况支架工装应力分布图

在D级工况下，支架工装一次薄膜应力的限值为min(1.0S_y,0.5S_u)=187.50 MPa，一次薄膜加弯曲应力的限值为min(1.5S_y,0.8S_u)=300.00 MPa，支架工装在D级工况下的应力计算结果见表10，应力分布见图5。计算结果表明，支架工装在D级工况载荷下的应力满足规范要求。

表10   D级工况应力计算结果与评定

(a)

(b)

(a)薄膜应力   (b)薄膜加弯曲应力

图5   D级工况支架工装应力分布图

4.3   螺栓评价

D级工况下的计算结果可包络其他工况，因此校核D级工况下螺栓的应力，最大应力计算结果及评定见表11。可以得出，螺栓的设计满足规范要求。

表11   试验支架连接螺栓在各工况下的校核结果

使用上述设计分析的支架工装对穿地阀开展动态特性探测试验、振动老化试验及反应谱加载的抗震试验，试验过程规范、顺利，试验后穿地阀结构完整，部件无明显变形，且动作平稳、无异常。

本文针对某型快速检修用气动穿地隔离阀的抗震试验需求，完成了专用支架工装的设计、分析与验证，结论如下：

（1）本文设计的钢架式支架工装采用Q235B钢材与8.8级螺栓刚性连接，既适配现有抗震试验台，又能精准模拟穿地阀实际安装条件，结构设计合理。

（2）基于ANSYS有限元分析结果，工装在X、Y、Z方向的主振频率均高于反应谱零周期频率，B级、D级工况下的应力及螺栓拉剪应力均符合RCC-M规范，力学性能达标。

（3）现场抗震试验表明，工装可稳定支撑穿地阀完成动态探测、振动老化及反应谱加载试验，试验后的阀门结构完整，动作正常，试验条件可靠。