反應(yīng)堆壓力容器出口接管分析與評定

朱永波，翟立宏

由于反應(yīng)堆壓力容器及其進(jìn)、出口接管等都屬于一級核承壓設(shè)備，其安全評定結(jié)果直接關(guān)系到核電廠的安全。因此，對其進(jìn)行的安全評定要嚴(yán)格遵守相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。本工作所依據(jù)的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是ASME（2004版）第Ⅲ卷NB分卷及附錄F。

1 功能介紹

反應(yīng)堆容器是用于支撐和封閉反應(yīng)堆芯的高壓安全殼邊界。容器為圓柱形，帶有半球形下封頭和可拆卸的法蘭半球形上封頭（頂蓋）。進(jìn)口接管用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑的流量，通過出口接管使冷卻劑在堆芯周圍循環(huán)，將堆芯的熱量傳送到蒸發(fā)器進(jìn)行發(fā)電。

2 計(jì)算假設(shè)

（1）建立在材料為均質(zhì)、各向同性并符合小變形假設(shè)的以線彈性為基礎(chǔ)的彈性應(yīng)力分析。

（2）為滿足各種工況，該有限元模型的邊界條件必須能夠模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

（3）由于堆焊層被設(shè)定為不承載，故該有限元模型不包含堆焊層結(jié)構(gòu)。

3 計(jì)算思想

依據(jù)ASME（2004版）規(guī)范，本文采用Tresca屈服準(zhǔn)則，構(gòu)件中某點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度為該點(diǎn)處的最大剪應(yīng)力的2倍，即：

式中，S—構(gòu)件中某點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度（N/mm2）；

分析設(shè)計(jì)法要求對結(jié)構(gòu)件各部位所受各種應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，并根據(jù)應(yīng)力在構(gòu)件上的分布、產(chǎn)生的原因以及對引起失效的作用的不同分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力P也稱基本應(yīng)力，是指由外加載荷在容器中產(chǎn)生的應(yīng)力，一次應(yīng)力為直接參與和機(jī)械載荷相平衡的應(yīng)力，具有非自限性的基本特征。一次應(yīng)力又分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次彎曲應(yīng)力Pb和一次局部薄膜應(yīng)力PL。二次應(yīng)力Q是指由相鄰部件的約束和結(jié)構(gòu)自身約束所引起的應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力都屬于二次應(yīng)力。峰值應(yīng)力F是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和受局部熱應(yīng)力的影響而附加于一次及二次應(yīng)力和值之上的應(yīng)力增量，其主要特點(diǎn)是具有高度的局部性，不會引起任何明顯的變形，僅可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂。

本文采用的ANSYS軟件是世界范圍內(nèi)最先通過ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類軟件，同時(shí)也是獲得國家核安全局和全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)可的分析軟件之一。

4 分析計(jì)算

4.1 模型建立

因反應(yīng)堆容器結(jié)構(gòu)和載荷均具有對稱性，故取整體模型的1/2為計(jì)算對象。在建模過程中以下結(jié)構(gòu)不予考慮：

（1）頂蓋貫穿件和IHP支撐與吊耳結(jié)構(gòu)。

（2）安注接管結(jié)構(gòu)。

（3）堆芯支撐、分流裙筒支撐。

（1）實(shí)時(shí)切換。支持快速實(shí)時(shí)編輯切換、實(shí)時(shí)播出回放，廣泛應(yīng)用于演播室播出、多機(jī)位錄制等各種同步素材應(yīng)用場景，并可與非編精剪綜合應(yīng)用。

由于進(jìn)、出口接管的關(guān)聯(lián)性較大，因此建模時(shí)也應(yīng)考慮出口接管結(jié)構(gòu)對進(jìn)口接管結(jié)構(gòu)的影響。

建模后對分析模型進(jìn)行有限元單元?jiǎng)澐?，采用六面體單元（20節(jié)點(diǎn)Solid186號），該單元具有較好的計(jì)算精度，可以得到較穩(wěn)定、可信的計(jì)算結(jié)果；對重點(diǎn)部位進(jìn)行細(xì)劃分；最后共得到600005節(jié)點(diǎn)，404536單元（見圖1）。

圖1 單元?jiǎng)澐?/p>

4.2 材料參數(shù)[1]

本文中所需材料參數(shù)均來自ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅱ卷（見表1、表2）。

表1 進(jìn)、出口接管SA-508，Gr.3，CL.1

表2 螺栓SA-540，Gr.B23，CL.3

4.3 邊界約束與加載

約束邊界 本文選用整體模型的1/2，因此在對稱面施加對稱約束，同時(shí)在兩個(gè)進(jìn)口接管支撐臺位置建立槽鋼形狀模擬塊以約束底面在UX、UY、UZ方向位移為零（見圖2）。支撐臺與模擬塊之間建立接觸關(guān)系（摩擦系數(shù)設(shè)為0）。

載荷 (1)內(nèi)壓、螺栓預(yù)緊載荷及自重； (2)設(shè)計(jì)規(guī)格書中提供的進(jìn)、出口載荷和頂蓋及筒體法蘭上所受來自堆芯的載荷； (3)出口接管內(nèi)伸載荷。

圖2 模型邊界和載荷

4.4 有限元分析

（1）應(yīng)力評定準(zhǔn)則[2]

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求給出具體應(yīng)力分類評定準(zhǔn)則（見表3），表中Pm為總體薄膜應(yīng)力；PL為局部薄膜應(yīng)力；Pb為一次彎曲應(yīng)力；Q為二次應(yīng)力；Sm為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度；Sy為材料屈服極限。

表3 應(yīng)力分類評定準(zhǔn)則

（2）計(jì)算結(jié)果

由于出口接管在D級工況下補(bǔ)強(qiáng)內(nèi)、外的載荷不同，因此在計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)之外的應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，需單獨(dú)建立出口接管的分析模型進(jìn)行計(jì)算。

各個(gè)工況下的接管載荷、出口接管內(nèi)伸載荷、頂蓋和筒體法蘭來自堆芯的載荷按照設(shè)計(jì)規(guī)格書中的規(guī)定經(jīng)相應(yīng)的載荷組合后進(jìn)行計(jì)算 (見圖3～圖8)。

圖3 設(shè)計(jì)壓力下應(yīng)力強(qiáng)度

圖4 A級熱量載荷下應(yīng)力分布

圖5 B級熱量載荷下應(yīng)力分布

圖6 SSE、LOCA載荷下應(yīng)力分布

圖7 D級（A）補(bǔ)強(qiáng)外應(yīng)力分布

圖8 D級（C）補(bǔ)強(qiáng)外應(yīng)力分布

(3)應(yīng)力結(jié)果評定

經(jīng)計(jì)算分析得出應(yīng)力評定結(jié)果（見圖9、表4）。

其中路徑C12、C13為在接管補(bǔ)強(qiáng)區(qū)外選取。表4各個(gè)二次應(yīng)力分類數(shù)據(jù)中已經(jīng)包含了熱應(yīng)力的影響。

圖9 應(yīng)力評定路徑

（4）總體薄膜應(yīng)力的確定

在評定應(yīng)力結(jié)果時(shí)，我們需要評定總體薄膜應(yīng)力，但是受結(jié)構(gòu)不連續(xù)和載荷的影響，某些路徑無法直接通過有限元計(jì)算結(jié)果取得該項(xiàng)數(shù)值，對此可以通過理論計(jì)算求得。

殼體上的總體一次薄膜應(yīng)力可以通過理論公式計(jì)算得到：

其中，F(xiàn)tmax為考慮內(nèi)壓，接管載荷和自重等產(chǎn)生的沿殼體軸向的力（由于壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力，因此假設(shè)Ftmax為壓應(yīng)力，以求得數(shù)值上的最大和最小主應(yīng)力），F(xiàn)vmax為切向力；在計(jì)算總體薄膜應(yīng)力時(shí)，不需要考慮彎矩，而由彎矩引起的彎曲應(yīng)力可以在有限元計(jì)算中得到。

表4 應(yīng)力分類評定結(jié)果

在軸向剖切面上的主應(yīng)力則可以通過下式計(jì)算：

環(huán)向應(yīng)力主要由壓力產(chǎn)生，可以根據(jù)力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算得到：

式中，P—壓力載荷（Pa）；d—接管內(nèi)徑（mm）；t—接管壁厚（mm）。

取這三個(gè)主應(yīng)力中最大的代數(shù)值為最大主應(yīng)力，最小值為最小主應(yīng)力，則總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為：

5 結(jié)語

（1）從以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，該反應(yīng)堆壓力容器的接管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（2）本文評定內(nèi)容只是全面評定工作的一部分，其它還應(yīng)包含疲勞、熱棘輪、防斷裂等方面的計(jì)算與評定。

[1]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅱ卷.2004.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷.2004.