EPR安全殼高能管道貫穿件應(yīng)力分析

彭翠玲，張周紅，向文元

（1．中國廣東核電集團(tuán)中科華核電技術(shù)研究，廣東 深圳518124；

2．中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124）

核電站安全殼是構(gòu)成核反應(yīng)堆安全的最后一道屏障，貫穿件是安全殼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在核電站運行期間和發(fā)生事故時應(yīng)保證安全殼的結(jié)構(gòu)完整性和密封性不被破壞，因此貫穿件的設(shè)計必須能在各種工況下滿足力學(xué)性能的要求。高能管道貫穿件是一種受力狀態(tài)相對復(fù)雜的貫穿件類型，不僅承受機(jī)械載荷（如壓力、連接管道的作用力等），還承受管道流體熱載荷的作用，因此高能管道貫穿件在各種工況下的力學(xué)行為不僅要滿足設(shè)計規(guī)范RCC-M［1］的要求，同時還要滿足廠房混凝土溫度的相關(guān)要求。

圖1 高能管道貫穿件結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Penetration structure for high energy pipes

1 結(jié)構(gòu)描述與分析方法

EPR機(jī)組貫穿件的機(jī)械分級為M2級，抗震分級為SC1級。高能管道貫穿件的典型結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，一般主要由連接件、套管、膨脹節(jié)、保溫層以及連接的流體管道等構(gòu)成，使管道貫穿內(nèi)、外兩層安全殼。其中貫穿件的連接件是主要受力部件，其力學(xué)性能直接影響貫穿件的安全性。

由于高能管道貫穿件承受熱載荷與機(jī)械載荷，貫穿件的應(yīng)力分析通常分兩步進(jìn)行：首先進(jìn)行熱分析，得到結(jié)構(gòu)的溫度分布，判斷安全殼混凝土溫度是否滿足要求；再進(jìn)行熱-機(jī)械耦合分析，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，并采用RCC-M規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力評定。本文以某EPR項目的貫穿件RIS DN200為算例，采用通用有限元程序ANSYS建立貫穿件結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，并應(yīng)用RCC-M規(guī)范進(jìn)行貫穿件的應(yīng)力評定。

2 熱分析

高能管道貫穿件熱分析的計算模型應(yīng)包括貫穿件連接件、連接管道、套管、保溫層、相連的混凝土以及結(jié)構(gòu)中的空腔部分。由于結(jié)構(gòu)的軸對稱特征，可以采用平面模型進(jìn)行傳熱分析，本文采用ANSYS［2］程序中的二維熱實體單元Plane55。

貫穿件的傳熱分析應(yīng)定義各部分材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。傳熱邊界處中應(yīng)考慮傳熱邊界的對流和輻射效應(yīng)，采用等效的熱對流系數(shù)進(jìn)行分析。

式中：k——空氣傳導(dǎo)系數(shù)；

NuD——傳熱表面的平均努塞爾數(shù)；

L——傳熱表面的特征長度；

ε——傳熱表面的熱輻射率；

σ——熱擴(kuò)散率；

TS——表面溫度；

T∞——環(huán)境溫度。

隨著顧客價值理論在旅游領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些學(xué)者開始運用“Means-End”理論對旅游者行為開展研究。如Bona Kim、Seongseop Sam Kim、Brian King[20]對朝圣旅游者的出游目的及價值取向進(jìn)行研究；Klenosky、Gengler、Mulvey[21]用該理論研究了影響旅游者選擇滑雪旅游目的地的因素；張波[22]基于手段—目的理論對自助旅游者、徒步旅游者和休閑體驗旅游者構(gòu)建包含有效解釋系統(tǒng)基礎(chǔ)組成、旅游者利益體驗、旅游者最終價值的解說系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前，關(guān)于運用“Means-End”理論進(jìn)行游客感知價值層次關(guān)系的研究較少。

高能管道貫穿件RIS DN200連接的管道正常運行時流體的最大溫度為135℃，熱分析得到貫穿件結(jié)構(gòu)的溫度分布見圖2。從計算結(jié)果讀取混凝土區(qū)域的節(jié)點最高溫度為38．4℃，低于廠房混凝土允許溫度80℃。

圖2 貫穿件RIS DN200溫度分布（單位：K）Fig．2 Temperature distribution of penetration RIS DN200（Unit：K）

3 熱-機(jī)械耦合分析

3．1 計算模型

高能管道貫穿件的熱-機(jī)械耦合分析計算模型采用ANSYS程序中的諧單元Plane25，該單元適用于承受非軸對稱載荷的二維軸對稱結(jié)構(gòu)的建模。

高能管道貫穿件的熱-機(jī)械耦合分析模型取自傳熱分析模型的一部分，包括貫穿件的連接件，部分套管和流體管道。套管與廠房連接處的節(jié)點作為固定約束。

3．2 計算載荷

高能管道貫穿件熱-機(jī)械耦合分析考慮的載荷包括如下幾個方面：

（1）溫度載荷

溫度載荷采用傳熱分析得到的溫度場分布，如圖3所示。

（2）壓力

壓力載荷分布如圖4所示。

圖3 熱-機(jī)械耦合分析的溫度分布Fig．3 Temperature distribution for thermal-mechanical coupled analysis

圖4 壓力載荷分布Fig．4 Pressure load distribution

式中：Dout，Din分別為流體管道的外徑、內(nèi)徑。

（3）接管載荷

接管載荷是貫穿件連接的管道對連接件的作用力，通常由管道力學(xué)分析的計算結(jié)果得到各工況下連接件兩端的接管載荷。本算例貫穿件應(yīng)力計算中保守的采用不同工況下的接管載荷（表1）。

表1 接管載荷Table 1 Load of connection tube

（4）自重

只考慮模型中構(gòu)件的自重，流體重量等影響在接管載荷中已考慮。

4 計算結(jié)果評定

4．1 結(jié)果處理

由于計算模型采用二維軸對稱單元Plane25，該單元適用于承受非軸對稱載荷的二維軸對稱結(jié)構(gòu)?？紤]結(jié)構(gòu)的對稱性，模型的計算結(jié)果在0～180°范圍內(nèi)每10°進(jìn)行提取，最終得到圓周上的最大值。

為根據(jù)RCC-M規(guī)范進(jìn)行應(yīng)力評定，需要在結(jié)構(gòu)模型中定義路徑，對計算應(yīng)力沿路徑進(jìn)行線性化處理。本算例中，將模型劃分為12個區(qū)域，如圖5所示，每個區(qū)域定義1條或多條路徑，在計算過程中得到每個區(qū)域線性化應(yīng)力的最大值進(jìn)行應(yīng)力評定。

4．2 評定準(zhǔn)則與結(jié)果

貫穿件為RCC-M 2級設(shè)備，根據(jù)RCC-M的要求，貫穿件的連接件按照章節(jié)C3280進(jìn)行評定，套管按照H3300進(jìn)行評定，具體評定準(zhǔn)則見表2。本算例得到設(shè)計工況的應(yīng)力分布見圖6，設(shè)計工況下應(yīng)力評定結(jié)果見表3。

圖5 區(qū)域和路徑定義Fig．5 Definition of zones and paths

表2 評定準(zhǔn)則Table 2 Criteria for stress evaluation

圖6 設(shè)計工況下應(yīng)力分布Fig．6 Stress distribution in design condition

表3 設(shè)計工況應(yīng)力評定結(jié)果Table 3 Results of stress evaluation in design condition

續(xù)表

為節(jié)約篇幅，此處不再詳細(xì)列出算例貫穿件在其余各工況下的應(yīng)力評定結(jié)果。

匯總所有工況的計算結(jié)果，高能管道貫穿件RIS DN200的最終應(yīng)力評定結(jié)果見表4。從表中可以看出，在計算過程中采用算例貫穿件RIS DN200的應(yīng)力評定滿足規(guī)范要求。同時，熱分析的結(jié)果表明貫穿件鄰近區(qū)域混凝土的溫度也低于限值。因此，該高能管道貫穿件的設(shè)計符合相關(guān)要求。

表4 應(yīng)力評定結(jié)果Table 4 Results of stress evaluation

5 結(jié)論

（1）高能管道貫穿件的分析過程一般包括熱分析與熱-機(jī)械耦合分析兩個步驟，熱分析的計算結(jié)果得到結(jié)構(gòu)的溫度分布，以判斷是否滿足溫度的相關(guān)要求，同時還作為熱-機(jī)械耦合分析中的溫度載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析與評定。

（2）考慮貫穿件結(jié)構(gòu)的軸對稱特征，貫穿件的熱分析和熱-機(jī)械耦合分析模型通?？刹捎闷矫鎲卧M(jìn)行簡化。

（3）根據(jù)RCC-M規(guī)范進(jìn)行貫穿件的評定，連接件與套管應(yīng)分別采用C3280和H3320的具體要求對各種工況的貫穿件應(yīng)力進(jìn)行評定。

［1］ AFCEN，Rules for design and fabrication of mechanical components of PWR nuclear islands （RCC-M ）［S］，2007．

［2］ ANSYS Inc，ANSYS User's Manual［M］，2007．