【其他行业标准】 压水堆核电厂阀门 第10部分：应力分析和抗震分析

ICS27.120.20
备案号：29103-2010
中华人民共和国能源行业标准
NB/T20010.10—2010
代替EJ/T1022.14—1996
压水堆核电厂阀门
第10部分：应力分析和抗震分析PWR nuclear power plant valvePart 10: Stress analysis and seismic analysis2010-05-01发布
国家能源局
2010-10-01实施
规范性引用文件
术语和定义
一般规则
51级阀门的分析规则.
62级阀门的分析规则.
3级阀门的分析规则，
8装有外伸结构的阀门的抗震分析附录A（规范性附录）
附录B（规范性附录）
附录C（规范性附录）
阀门材料的许用应力强度和许用应力的确定疲劳曲线，
40级管子的壁厚系列
NB/T20010.10—2010
NB/T20010.10—2010
NB/T20010《压水堆核电厂阀门》分为15个部分：第1部分：设计制造通则；
第2部分：碳素钢铸件技术条件；第3部分：不锈钢铸件技术条件；第4部分：碳素钢锻件技术条件；第5部分：奥氏体不锈钢锻件技术条件；第6部分：紧固件技术条件；
第7部分：包装、运输和贮存；
第8部分：安装和维修技术条件：第9部分：产品出厂检查与试验；第10部分：应力分析和抗震分析；第11部分：电动装置；
第12部分：气动装置：
第13部分：核用非核级阀门技术条件；第14部分：柔性石墨填料技术条件；第15部分：柔性石墨金属缠绕垫片技术条件。本部分为NB/T20010的第10部分。本部分按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。本部分代替EJ/T1022.14—1996《压水堆核电厂阀门一1996相比主要有以下变化：
修改了5.2.4b)；
增加了5.5、6.4对试验工况的要求；c）对5.6.3.1增加了对阀杆稳定性的要求。本部分由核工业标准化研究所归口。本部分起草单位：中国核电工程有限公司。本部分主要起草人：王春明、黄经绍、王晓江。EJ/T1022.14于1996年4月首次发布。I
应力分析和抗震分析》，与EJ/T1022.141范围
压水堆核电厂阀门
第10部分：应力分析和抗震分析NB/T20010.10—2010
本部分规定了压水堆核电厂阀门应力分析和抗震分析的方法和应力评定准则，以保证阀门结构包括承压边界的完整性。
本部分适用于公称通径DV≥25mm的与安全相关的阀门。抗震分析的规则适用于抗震1类阀门，也适用于有抗震要求的其他阀门。
本部分提出的阀门应力分析规则不适用于安全阀和卸压阀。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T16702—1996压水堆核电厂核岛机械设备设计规范NB/T20010.1一2010压水堆核电厂阀门第1部分：设计和制造通则3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
运行安全地震震动(SL1)
operational safetyground motion在设计基准期中，年超越概率为2%的地震震动，其峰值加速度不小于0.075g。通常为核电厂能正常运行的地震震动。
极限安全地震震动（SL2）ultimatesafetygroundmotion在设计基准期中，年超越概率为0.1%的地震震动，其峰值加速度不小于0.15g。通常为核电厂区可能遭受的最大地震震动。
当发生这种地震时，安全上重要的物项仍需保持下列功能能力：反应堆冷却剂压力边界的完整性：a)
具有关停反应堆并将其保持在安全停堆状态下的能力：b)
在事故所引起的厂外照射水平达到规范允许的限值时，具有防止或减轻这类事故后果的能力。3.3
完整性integrity
在运行寿期内能安全地承受给定的设计载荷和使用载荷的能力。3.4
可运行性
operability
在规定的核电厂事件期间或其后，执行系统安全功能的过程中能完成必要的机械运动。1
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抗震1类
seismicCategoriesI
在核电厂设计中，定为抗震1类的那些结构、系统及部件应设计成当发生SL2地震时仍能保持其功能。4一般规则
4.1工况分类
阀门设计中应考虑设计载荷和A、B、C、D四级使用载荷。各类使用载荷分别与正常、异常、紧急及事故工况相对应。
4.2载荷准则
阀门应力分析中的设计载荷及各类使用载荷应在阀门技术规格书中规定。4.2.2载荷条件
在阀门设计时应考虑(但不限于)以下各种载荷：a）内压；
冲击载荷(包括压力瞬态)；
阀门自重和在操作或试验条件下液体的重量，包括由于液体静压头和动压头引起的附加压力；驱动装置、保温层及相连管道等引起的附加载荷；振动载荷和地震载荷：
温度效应；
耳架及其他支撑的反作用力。此内容来自标准下载网
设计载荷
设计压力，不应低于正常和异常工况中可能存在的最大内外压差。4.2.3.2
设计温度，不应低于上述4.2.3.1中阀门上各点可能存在的最高温度。4.2.3.3
其他设计载荷为与4.2.3.1相关的机械载荷。对于1级阀门，包括运行安全地震动（SL1）引起的作用。
使用载荷
除阀门技术规格书另有规定外，各级使用载荷可按表1的规定。4.3应力分析规则
阀门应力分析除遵循本部分的规则外，允许按GB/T16702一1996B3200的规则对1级阀门进行应力分析，按GB/T16702—一1996C3200的规则对2、3级阀门进行应力分析。4.4载荷组合与应力准则
对应于设计载荷和各类使用载荷的载荷组合及其应力限值(准则级别)应遵照表1的规定。2
设计载荷
A级使用载荷
B级使用载荷
C级使用载荷
D级使用载荷
载荷组合：
载荷组合及准则级别
设计内压“十管道反作用力“
设计内压十管道反作用力十
SLI地震动引起的作用b
1.1×设计内压十管道反作用力十SLI地震动引起的作用
1.2×设计内压十管道反作用力
1.2×设计内压十管道反作用力十SL2地震动引起的作用+管破裂载荷
·各级载荷组合均包括白重及有关机械载荷。o
准则级别
适用于1级阀门，对所有阀门考虑SL1地震引起的应力循环用作疲劳分析。“对1级阀门应包括SL1地震引起的惯性效应。NB/T20010.10—2010
2、3级
“1A级是指在地震时和(或)地震后保持其结构完整性，而且保持其可运行性的阀门。：1I级是指在地震时能保持其完整性的阀门。4.5许用应力强度和许用应力
阀门材料的许用应力强度（S）和基本许用应力（S）由附录A确定。4.6有关阀门抗震分析的规则
4.6.1本部分是按照下列原则，即按管道系统传递的载荷，特别是地震载荷设计的，当满足本部分有关应力分析的规则，且满足管道的强度要求时，则阀门的完整性是满足的。但当阀门带有一个外伸的支架和驱动装置，而此结构的牢固性对于阀门承压边界的完整性是必要时，则应对阀体一外伸结构的最大受力区域进行计算，并校核阀颈与阀体连接区域、阀盖与支架连接区域、支架和驱动装置连接区域等重要部位的强度。
4.6.2阀门整机包括外伸结构的最低自振频率应由阀门技术规格书规定。4.6.3阀门整机包括外伸结构的最低自振频率大于33Hz的阀门，其抗震计算可采用准静力法，即将等效的地震加速度引起的静载荷施加于外伸结构的重心上，且同时应考患空间正交三个方向的等效地震载荷同时作用。等效地震加速度值由阀门技术规格书提供。4.6.4对于直接安装在支承结构(楼板或墙壁）上的阀门抗震计算，可采用谱分析法。其输入的楼层反应谱由阀门技术规格书提供。
4.6.5地震作用应考虑与各类使用载荷组合，可按表1执行。4.6.6对于装有外伸结构的2级和3级阀门的抗震分析，均采用本部分第8章的规定。4.7应力分析报告
阀门制造厂应提供足够详细的应力分析报告，应力分析报告应表明满足本部分适用的要求。3
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当规定工况的苛刻程度使阀门的设计完整性周期小于电站寿期时，制造厂有责任在应力分析报告中详细说明。
51级阀门的分析规则
5.10级准则
5.1.1一次薄膜应力的极限
5.1.1.1概述
一次薄膜应力主要是内压产生的。对于满足本条要求的阀门，在内压下阀体最高应力区是在阀颈与流道的交接处，其特征是有垂直于阀颈与阀体流道中心线平面上的环向拉应力。本条规则用来限制这个交接区的总体一次薄膜应力。为满足本条要求所使用的标准设计压力P，可按照260℃下对应于压力级P,直接从NB/T20010.1-2010附录A确定，或通过内插法求得：P-Pa)(Ps2-Ps)
Ps= Ps +
式中：
P—与中间压力级P有关的标准设计压力；Psi，Pse——与压力级Pri，Pz有关的标准设计压力(1)
5.1.1.2在阀颈与流道交接区的最大一次薄膜应力可利用图1，并按照下列要求用压力面积法来确定：根据精确绘制的阀体设计图给出阀颈与流道中心线形成的平面内交接区的断面图，来确定流体a)
面积A和金属面积A。A和A是根据去掉预定的腐蚀裕度的截面确定的；计算交接区总体一次薄膜应力强度：b)
该应力强度的允许值为阀体材料在260℃下给出的数值S。(2)
对于构成流体面积和金属面积界限L和L的确定，先求出圆角与阀体的交点R(见图1a)），该点相应的壁厚为T。L取下列数值的较大值：L,=0.5d-T或L=T
L=0.5r+0.354/T(d+T)
式中：
d交接区阀体颈部的内径，单位为毫米（mm）：T
交接区颈部的壁厚，单位为毫米（mm）；T交接区阀体的壁厚，单位为毫米（mm）：交接区外圆角的半径，单位为毫米（mm）。在确定上述参数时，如果阀体是不规则的，如截止阀和其他非对称形状的阀门，需要作一些判断。在这种情形下，A的内部面积范围应根据内部润湿表面，由在垂直于阀颈轴线和流道轴线形成的平面上最大宽度的线围成（见图1c)、e)、f))；4
NB/T20010.10—2010
d）对于图1的e）、f）情形，L。由阀颈外表面算起，与流道中心线平行；L从R点算起，与阀颈中心轴线平行(或垂直于壳体中心轴线)；若由L和L所确定的A和A的范围超出阀体（图1c))，则阀体表面就成为确定A和A的界e）
限。在任何情况下凡可能在么和界限以内的相邻管道面积都不予考虑。若有法兰包括在A内，则应在A值中减去个紧固件孔的面积；除下面的修正外，阀体的延伸部分，如加强筋或肋片，在计算A时应考虑在内，但只加上从f）
阀体表面算起，等于加强筋或肋片平均厚度的有效长度的那一部分。剩余的加强筋面积应加在Ar上（见图1c)）。但是附加的面积满足下述规定，亦可包括在A上：即垂直于阀杆中心轴线和阀体中心轴线形成的平面，并通过A的每一点的线，不穿过湿润表面，而应在金属内直到穿过阀体外表面：
在多数情况下，上述A所划定的区域都是应力最大的，但对非常不规则的阀门，可在交接区的所有截面上进行校核，以保证在开启到闭合各种状态下能确定P的最大值。5.1.1.3在交接以外的区域，当根据5.1.1.2所计算的P值，对常见类型的阀门，是阀门总体一次薄膜应力的最大值，但对不常见的阀门形状，对阀体可疑的特殊局部轮席处用压力面积法对最大应力处进行校核。
阀体材料在260℃的许用应力强度值S，按附录A的规定确定。5.1.2一次薄膜加弯曲应力的极限”5.1.2.1概述
一次薄膜加弯曲应力应满足公式(3)的要求：1.5(r/T+0.5)P+P≤1.5Sm
式中：
P—标准设计压力，由公式(1)确定：n——在交接区壁面内侧内切圆的半径；T——在交接区阅体的壁厚；
P—由管道反作用力产生的应力。5.1.2.2内压产生的应力（公式(3)的第1项）应满足下列要求：(3)
a）为选择合适的T,，应考虑重要截面（见图2)上的补强材料，但不考虑局部焊缝。在确定n和T时，不考虑凸台和加强筋
b）对于阀颈中心线和流道方向不成直角的阀体，上述确定的内压应力应乘以系数C，Ca= 0.2 +
式中：
一阀颈中心线与流道方向所夹的锐角，见图3。a
5.1.2.3由管道反作用力产生的应力Peb应满足下列a)～f)的要求，这些应力应按管道传递的力确定，以保证阀体能足够安全地承受由连接管道系统产生的力和力矩：a）根据图2a）所示交接区的重要截面A一A，Peb（弯曲载荷的作用)用公式（5）确定：1）考患到管道和阀体的相对刚性，由管道所传递的载荷都取为阀门的一次性载荷。NB/T20010.10-2010
Cp F, S
式中计算P,所需的参数由以下b)～f)决定\：(5)
当连接材料为已知时，S可取为管材在260℃时的届服极限。当管材不明或当设计通用阀门时，b）
S可取为207MPa；
F可按公式(6)、(7)两种方法之一确定。c）
方法一，使用公式（6）：
F=0.393d'P
同时，作为补充规则，所取的F值为：当d<250mm而连接管道内径大于d时，F不应小于附录C的要求；当d≥250mm时，F值应不小于7.5d2。上述d.为对应于连接管道较大一端阅体的内径，单位为毫米(mm）。方法二，F取具有较大截面模革的连接管道的实际截面模量：C是弯曲应力的应力指数，由公式（7）确定（但不小于1.0)：213
C,=max[0.335
式中：
一交接区阀体壁的平均半径，单位为毫米（mm）。(6)
G是通过A-A平面、绕垂直于阀体与阀颈轴线构成的平面的轴线的弯曲截面模量I/（n+T.）e)
（mm\）。计算G,时应把外表面的纤维应力看作控制因素：f)
当阀门用于文杜里管时，其连接管道可以大于对应于阀门公称尺寸的连接管道，此时P应按实际较大的连接管道米确定。这些情况应单独处理，以保证与本章应力规则相适应。当文杜里管不是阀门制造厂制造时，阀门技术规格书应包括足够的资料以便制造厂进行这种校核。5.1.2.4用于公式(3)的S值为阀体材料在260℃时的许用应力强度，按附录A的规定。5.2A级准则
5.2.1概述
A级准则关系到一次加二次应力变化幅度的极限和疲劳分析，以防止疲劳和渐进性变形引起的失效。要求遵守A级准则的工况，可以分为两类：a）回路启一停循环，如果阀门中流体的温度变化速度不大于55℃/h，则阀门的实际工作循环变化可认为是启一停循环变化：
b）对阀门的其他工况基本上是由压力与温度的循环变化所构成。一切流体温度变化速度大于55℃/h的工况都用于这类。
与回路启一停循环有关的一次加二次应力变化幅度的极限5.2.2
2）作为另一规则，外力矩的实际最大值可以代替FS乘积。6
NB/T20010.10—2010
5.2.2.1由内压、管道反作用力和热作用所产生的一次应力加二次应力的变化幅度S不应超过3S.。S取阀体材料在260℃时的值，即：S=Q+2Ps+2Q≤3.S
式中：
Qts——由壁厚变化产生的薄膜加弯曲应力分量，由公式(10)确定。(8)
I、T,、P和P的定义见5.1.2，其中2P项可以由施加于阀体上的外载荷变化总幅度得到的实际值乘以C/G替代。
5.2.2.2由于壁厚中温度梯度和交接区壁厚的变化(平均温差)所引起的二次热应力，以流体温度连续变化55℃/h计算。图4给出了交接区确定二次应力的典型例子。图4b）表示在阀体交接区有不规则形状时，如何确定r，T，T及T值。二次热应力按下列方法计算：
a）沿壁厚的线性温度梯度引起的应力分量&，按公式（9）确定：Q=C7(7
式中：
C,=1.07×10-3MPa/mm2（对铁素体钢）；C,=4.06×10-3MPa/mm2（对奥氏体钢）；T,如图4b）所示，单位为毫米（mm)。b）壁厚变化引起的薄膜加弯曲应力Qs，由公式（10）确定：Q=EαC3AT...
式中：
E-—材料的弹性模量和线性热膨胀系数的乘积，此两者均取260℃时的数值；一二次薄膜加弯曲的最大应力的应力指数，由图5查得；C
一阀门壁厚Te1和T不同时，其平均温度的最大差值，单位为摄氏度（℃），由图6查得。5.2.3除回路中启一停循环以外的一次加二次应力变化幅度的极限除回路中启一停循环以外的一次加二次应力的变化幅度应受下式限制”：S=&,(△P,(max.)/P)+EaC,C,AT,(max.)≤3Sm式中：
@见5.2.2.1；
AP(max.）———所考虑工况的最大压力变化幅度；Ps见5.1.2；
Eα见5.2.2.2的b）；
C,和C
一系数，分别用图7和图8取得；(9)）
（11)
在不考虑启--停循环的阀门本身运行循环的分析中，应在公式（11）中考患射流效应引起的外力，即在公式（11）3）
中加入P。项或计算出射流实际效应而产生的应力变化幅度。
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