基于GB 150—2011設(shè)計(jì)的冷卻器疲勞分析

高永建，張 明，趙飛云，陳健華

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

0 引言

承壓設(shè)備在服役條件下，由于間斷操作和開停工、溫度變化、運(yùn)行工藝壓力波動(dòng)以及外加載荷的反復(fù)變化等原因，使其承受交變載荷的作用，往往會(huì)發(fā)生疲勞破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，承壓設(shè)備破壞事故中有40% ～50%的事故是由疲勞裂紋引起的［1］。世界上最早出現(xiàn)的壓力容器疲勞設(shè)計(jì)規(guī)則出現(xiàn)于ASME BPVC － Ⅲ［2］和 ASME BPVC － Ⅷ －2［3］，其設(shè)計(jì)方法是以LANGER的研究成果為基礎(chǔ)的［4－5］。我國(guó)通過借鑒ASMEBPVC － Ⅷ －2等規(guī)范的相關(guān)章節(jié)，編制了分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995［6］，其中包括疲勞設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

某核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Control Rod Drive Mechanism，簡(jiǎn)稱CRDM)冷熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架是提供與反應(yīng)堆溫度、壓力、介質(zhì)、控制棒行程及驅(qū)動(dòng)提升負(fù)荷相同的運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行CRDM驗(yàn)證性試驗(yàn)的裝置。該試驗(yàn)裝置主要包括:穩(wěn)壓器、冷卻器、加壓泵、管道加熱器、試驗(yàn)本體、管道、閥門等。其中冷卻器設(shè)計(jì)遵循的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 GB 150—2011［7］，由于冷卻器在設(shè)計(jì)壽命期間將承受壓力和溫度的循環(huán)載荷，因此需考慮其發(fā)生疲勞失效的可能性［8－9］。GB 150.1—2011 的 4.3.1 節(jié)規(guī)定:對(duì)于有成功使用經(jīng)驗(yàn)的承受循環(huán)載荷的容器，經(jīng)設(shè)計(jì)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，可按本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按JB/T 4732—1995附錄C補(bǔ)充疲勞分析和評(píng)定。

文中應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立冷卻器的局部三維有限元模型，并根據(jù)JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))［10］附錄C的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行疲勞分析和評(píng)定，為保證冷卻器在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性提供依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 幾何結(jié)構(gòu)和材料

文中分析的冷卻器屬于套管式換熱器，管側(cè)走回路水(除鹽水)，設(shè)計(jì)壓力17.2 MPa，設(shè)計(jì)溫度350℃;殼側(cè)走冷卻水(自來水)，設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度 100 ℃，屬于Ⅰ類壓力容器［11］。冷卻器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 冷卻器結(jié)構(gòu)示意

主要受壓元件材料為0Cr18Ni9(S30408)，該材料的物理性能參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)疲勞曲線取自JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C圖C－2，如圖 2 所示［9］。

表1 0Cr18Ni9(S30408)的物理性能參數(shù)

圖2 溫度不超過425℃和Sa＞194 MPa的奧氏體不銹鋼的設(shè)計(jì)疲勞曲線

1.2 有限元模型

根據(jù)冷卻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，平蓋與傳熱管之間的焊縫及其附近區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中部位，為最大峰值應(yīng)力強(qiáng)度所在區(qū)域，最有可能發(fā)生疲勞失效。以該部位為中心，劃定周邊相關(guān)區(qū)域?yàn)榉治鰧?duì)象，應(yīng)用ANSYS程序建立三維幾何實(shí)體模型(見圖3)和三維有限元模型(見圖4)。結(jié)構(gòu)分析采用三維實(shí)體單元Solid 45，熱分析采用熱單元Solid 70，模型共計(jì)33319個(gè)單元，并對(duì)重點(diǎn)分析部位即平蓋與傳熱管之間的焊縫及其附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。

結(jié)構(gòu)分析的位移邊界條件:在傳熱管彎管的端部、連通管的端部及筒體的端部施加位移對(duì)稱邊界，在支撐管的端部一節(jié)點(diǎn)處施加X向的位移約束。內(nèi)壓加載于傳熱管的內(nèi)表面，并在其一側(cè)端部施加由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力。

圖3 冷卻器三維實(shí)體模型

圖4 冷卻器有限元模型

熱分析時(shí)不考慮傳熱管內(nèi)壁的對(duì)流傳熱，直接將瞬態(tài)溫度加載至內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)，除內(nèi)壁以外，其他表面考慮為絕熱邊界。

2 設(shè)計(jì)瞬態(tài)

冷卻器的設(shè)計(jì)瞬態(tài)如表2所示。

表2 冷卻器的設(shè)計(jì)瞬態(tài)

為簡(jiǎn)化疲勞分析，首先對(duì)表2所列設(shè)計(jì)瞬態(tài)做合并處理，將工況1～3合并為水壓試驗(yàn)瞬態(tài)，循環(huán)次數(shù)為1800次，其瞬態(tài)曲線見圖5;將工況4～7合并為性能試驗(yàn)瞬態(tài)，循環(huán)次數(shù)為1800次，其溫度和壓力瞬態(tài)曲線分別見圖6，7。

圖5 水壓試驗(yàn)瞬態(tài)曲線

圖6 性能試驗(yàn)溫度瞬態(tài)曲線

圖7 性能試驗(yàn)壓力瞬態(tài)曲線

同時(shí)，考慮到工況4的壓力波動(dòng)幅度較大(達(dá)到8 MPa)，次數(shù)較多(12次)，而基于雨流法原理的ANSYS疲勞分析模塊不會(huì)將12次的壓力波動(dòng)均計(jì)入疲勞累積，因此，文中將工況4單獨(dú)作為一個(gè)瞬態(tài)處理，定義為壓力波動(dòng)瞬態(tài)，循環(huán)次數(shù)扣除性能試驗(yàn)瞬態(tài)已計(jì)入的1800次后為:1800×12－1800=19800次，其瞬態(tài)曲線見圖8。

圖8 壓力波動(dòng)瞬態(tài)曲線

3 分析方法與結(jié)果評(píng)定

根據(jù)JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))的表5－1，按疲勞設(shè)計(jì)的容器需要依次校核一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ，一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ和峰值應(yīng)力強(qiáng)度SⅤ?？紤]到一次應(yīng)力強(qiáng)度(SⅠ，SⅡ，SⅢ)已在設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算書中校核，故本文僅需對(duì)一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ和峰值應(yīng)力強(qiáng)度SⅤ進(jìn)行評(píng)定，其中SⅣ評(píng)定是為了保證結(jié)構(gòu)的安定性;SⅤ評(píng)定是為了防止結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。另外，疲勞評(píng)定需滿足 JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C的規(guī)定。

在平蓋與傳熱管之間的焊縫及其附近區(qū)域按周向不同角度確定應(yīng)力評(píng)定截面，每個(gè)角度所在位置設(shè)置5個(gè)評(píng)定路徑，共計(jì)15個(gè)，具體如圖9，10所示(圖中ASN(Analysis Section Number)代表分析截面編號(hào))。

一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ評(píng)定結(jié)果見表3，SⅣ的評(píng)定限值為3Sm

［10］，其中 Sm(設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度)為正常工作循環(huán)時(shí)最高與最低溫度下材料Sm的平均值。文中Sm保守取為0Cr18Ni9(S30408)在設(shè)計(jì)溫度350℃下的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度(111 MPa)［10］，表3所列的一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ均小于評(píng)定限值 3Sm(333 MPa)，因此 SⅣ評(píng)定滿足 JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))的要求。

圖9 應(yīng)力評(píng)定截面 (ASN 1～ASN 5，ASN 11～ASN 15)

圖10 應(yīng)力評(píng)定截面(ASN 6～ASN 10)

累積疲勞使用系數(shù)U的計(jì)算過程與一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算過程相似，不同的是在評(píng)定位置處采用總應(yīng)力強(qiáng)度(一次加二次應(yīng)力加峰值應(yīng)力)進(jìn)行計(jì)算。文中根據(jù) JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C的相關(guān)規(guī)定，利用ANSYS軟件的疲勞分析模塊對(duì)每條路徑的內(nèi)外壁的累積疲勞使用系數(shù) U進(jìn)行計(jì)算，需要指明的是，JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C的C.4規(guī)定:用于疲勞分析的角焊縫疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)取4.0。文中作疲勞分析時(shí)，據(jù)此考慮了4.0的疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)。疲勞計(jì)算結(jié)果如表4所示，可以看出，所有累積疲勞使用系數(shù)U均小于1.0的評(píng)定限值，滿足JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))的要求。

表3 一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度值 MPa

表4 累積疲勞使用系數(shù)U

4 結(jié)語

應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立冷卻器的局部三維有限元模型，根據(jù)設(shè)計(jì)瞬態(tài)的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行合并與分組，在最大峰值應(yīng)力強(qiáng)度所在區(qū)域設(shè)置評(píng)定截面，并根據(jù) JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行疲勞分析和評(píng)定，評(píng)定結(jié)果表明:冷卻器設(shè)計(jì)符合JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))附錄C對(duì)防止疲勞失效的要求。文中分析為保證冷卻器在設(shè)計(jì)壽命期間的結(jié)構(gòu)完整性提供依據(jù)，也為其他設(shè)備在類似瞬態(tài)工況下的疲勞分析提供借鑒。

［1］張康達(dá).鍋爐壓力容器的疲勞失效［M］.北京:勞動(dòng)人事出版社，1988:1－5.

［2］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，SectionⅢ——Rules for Construction of Nuclear Facility Components［S］.

［3］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，Section Ⅷ Division 2——Rules for Construction of Pressure Vessels，Alternative Rules［S］.

［4］LANGER B F.Design of Pressure Vessels for Low －Cycle Fatigue［J］.Journal of Basic Engineering，1962，84(3):389－399.

［5］LANGER B F.Criteria of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code for Design by Analysis in SectionsⅢandⅧ，Division 2［R］.Published by the ASME，1969.

［6］JB 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］GB 150—2011，壓力容器［S］.

［8］李培寧.當(dāng)代壓力容器疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)述［J］.壓力容器，1989，6(4):1 －10.

［9］王志文，惠虎，關(guān)凱書，等.對(duì)中國(guó)壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展展望［J］.壓力容器，2013，30(3):37－44.

［10］JB/T 4732—1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn))［S］.

［11］TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.