反應堆壓力容器檢查機支撐腿的設計及可靠性研究

吳健榮，陳懷東，林 戈，李 明，洪茂成

（中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215004）

核反應堆壓力容器是核電站的心臟，其壽命直接決定整個核電站的可用壽期。反應堆壓力容器檢查機——EPR CIME機是針對第三代EPR型核電站［1］在役檢查開發(fā)的大型無損檢測專用設備，得到國家863重大項目“核電站專用機器人技術與應用”資助。EPR CIME機可以按在役檢查大綱要求為EPR型反應堆壓力容器提供全范圍的超聲和視頻檢查［2］。支撐腿部套作為EPR CIME機支撐和定位的主要功能結構，對整個反應堆壓力容器檢查系統(tǒng)的定位精度和可靠性都有重要影響。

筆者根據EPR反應堆壓力容器結構特點，對EPR CIME機支撐腿結構進行設計，并采用有限元方法對其可靠性進行分析。在此基礎上設計了一套力學試驗方案，對支撐腿結構設計和可靠性分析結果進行試驗驗證。

1 支撐腿結構設計

1.1 反應堆壓力容器檢查機定位方案

EPR CIME機的結構如圖1所示，其安裝和定位主要通過三條支撐腿（A，B，C）和反應堆壓力容器的導向柱結構實現。

EPR反應壓力容器的第14號及40號、5號及31號螺栓孔為導向柱安裝位置，在EPR CIME機的其中兩個支撐腿（A和C）上設計氣動定心裝置，可使EPR CIME機安裝在反應堆壓力容器的中心軸線上。為確保所有螺紋孔都能被檢查到，EPR CIME機采用正、反位兩次安裝（圖2）的方法實施檢查。正位安裝時，支撐腿A穿過5號螺紋孔導向柱，支撐腿C穿過40號螺紋孔導向柱，支撐腿B安裝在22號與23號螺紋孔之間，此時，EPR CIME機可完成除第5，40，22，23號螺紋孔以外的所有檢查。反位安裝時，支撐腿A和C對應安裝在14和31號螺紋孔導向柱，EPR CIME機完成余下的第5，40，22，23號螺紋孔的檢查。

圖1 EPR CIME機結構

圖2 EPR CIME安裝方式

1.2 反應堆壓力容器檢查機支撐腿結構

支撐腿設計需考慮以下三個要素：

（1）支撐腿A和C的氣動定心裝置應使EPR CIME機中心與反應堆壓力容器中心同軸。

（2）支撐腿結構應具有足夠的強度和安全系數。

（3）支撐腿結構應有較好的剛性，變形量應在設備參數中修正，確保反應堆壓力容器高度方向的定位精度。

為實現上述設計要素，支撐腿A和C的氣動定心裝置結構如圖3所示。當氣缸伸出時，氣動定心裝置伸出三個滾動觸點抱緊導向柱，氣壓驅動的滾動觸點可吸收初始位置誤差。每個支撐腿設計成穩(wěn)定的三角形結構，主梁采用彎管結構以減少應力集中并為檢查臂運動留出空間。主梁、輔梁、連接板焊接成整體，支撐腿結構如圖4所示。支撐腿徑向跨度由反應堆壓力容器法蘭直徑決定，約為5.5m，三個支撐腿總負載約為4t。

圖3 氣動定心裝置

2 基于有限元方法的支撐腿可靠性研究

2.1 有限元模型的建立

由于三個支撐腿為非對稱結構，以整體作為研究對象更能反映真實受力情況。支撐腿的可靠性問題是關注的重點。有限元建模時，對每個部件分別進行人工處理，以更好地劃分網格，中間聯(lián)接結構則采用整體自動網格劃分以提高計算效率［3］。

支撐腿A，C和B的幾何形狀大體相同，以支撐腿A為例，具體網格劃分方法如下：MultiZone方法，Mapped Mesh Type為 Hexa，Free Mesh Type為 Hexa Dominant，Element Size為0.04，Nodes為17941，Element為2514。其模型如圖4。

從圖4（a）可看出，支撐腿網格為六面體結構且布局均勻，具有較好的計算精度。整體結構模型如圖4（b）所示，總節(jié)點數115 020，單元數42 310，總體網格質量為0.7。

2.2 材料屬性、邊界條件與載荷工況

支撐腿材料為6063T6牌號鋁合金，中間結構材料為7075T6牌號鋁合金。鋁合金6063T6和7075T6的密度為2 770kg／m3，彈性模量為7.1×1010Pa，泊松比為0.33。其中6063T6材料屈服強度為205MPa，7075T6材料屈服強度為506MPa。邊界條件為三個底座均為固定約束，負載4t（載荷39 200N）。分析中還考慮了支撐腿結構自重對分析結果的影響。

2.3 分析結果

在軟件中對支撐腿結構進行有限元計算，其結果如圖5。計算所得最大位移為1.103mm，發(fā)生在中間連接結構上。最大應力值為74.402MPa，發(fā)生在主梁和連接板過渡位置處，為應力集中點。此時，最小安全系數是2.755 3。

從圖5中可以看出，除幾個應力集中區(qū)之外，其他部分的應力變化量相對平緩，安全裕度較大。因此，對焊縫工藝進行嚴格控制，保留一定的圓弧過渡區(qū)，并在焊后進行降應力打磨處理后，可以獲得較大的安全系數，從而使支撐腿結構具有較高的可靠性。

圖4 支撐腿有限元模型

圖5 支撐腿有限元計算結果

圖6 試驗方案示意圖

3 支撐腿試驗研究

3.1 試驗方案

為驗證理論分析結果，利用同批次等比例的支撐腿試件進行力學試驗，以確保支撐腿結構的可靠性。為節(jié)約成本，使用單個支撐腿進行試驗。如圖6（a）所示，試件與固定在承力地軌上的底座連接，載荷通過加載油車、力傳感器、作動筒和加載工裝施加到試件上，力的大小由靜態(tài)電阻應變儀和力傳感器控制。試件上布置13個45°應變片，4個位移測點，試件安裝及測點布置如圖6（b）所示。

值得注意的是，由于作動筒無法施加垂直方向的約束力，試件與支撐腿實際受力狀態(tài)有一定的區(qū)別。試驗加載方案下，試件受力狀態(tài)比實際支撐腿工作狀態(tài)要惡劣。試驗條件下，試件所受的最大理論應力值為74.707MPa，與實際支撐腿應力情況大體相當，但變形量要大于實際負載狀態(tài)。試件最大變形將出現在支撐腿末端，計算值為8.65mm。

3.2 試驗結果

圖7 試驗條件下的支撐腿應力和變形分析結果

如圖8所示，分別以1 200，1 400，1 600，1 800和2 000kg五種拉力對試件進行拉伸和卸載試驗。拉伸時，拉力以10%的量逐步加載，達到試驗載荷后保持加載2min；然后以10%的量逐步卸載。每次卸載后，都用放大鏡目視檢查焊縫，無開裂。拉伸和卸載試驗全部完成后對焊縫和折彎位置進行著色探傷檢查，未見可顯示缺陷。

表1 不同加載條件下的最大應力值和位移值

對應變片和位移傳感器記錄數值進行統(tǒng)計分析，得到的最大應力、最大位移和殘余位移記錄如表1所示。

3.3 結果分析

表1中最大位移值與理論計算值大體相當，最大不超過5%，載荷退出后，殘余變形量不超過0.3mm，表明支撐腿變形為彈性變形，未出現過載。最大應力值均來自第13號應變片，為主梁和輔梁的連接過渡區(qū)，該值略小于計算值。這是由于應變片無法正好貼在應力集中點，故測量值小于理論計算出的最大應力值，與實際情況相符。綜合上述分析結果，有限元計算結果與試驗情況基本相符，支撐腿結構強度滿足設計需求。

4 結語

對第三代核電站EPR堆型反應堆壓力容器檢查機的支撐腿結構進行了設計，采用有限元方法分析了支撐腿結構的可靠性。力學試驗結果表明，有關計算結果與實際試驗數據基本相符，印證了有限元分析結果的正確性，證實了支撐腿結構設計的合理性。

［1］ 陳泓.世界先進反應堆型——歐洲壓水堆EPR介紹［J］.中國電力，2000（2）：65－69.

［2］ 許偉科，李明，陳懷東，等.一種反應堆壓力容器檢查機（TIME）機械裝置介紹［C］.江蘇：南京，遠東無損檢測新技術論壇論文集，2009：272－275.

［3］ 張愛玲，蔣嵐，成波.基于ANSYS的結構優(yōu)化設計方法［J］.四川建筑，2009（3）：146－150.