核電站主設(shè)備翻轉(zhuǎn)抱環(huán)有限元分析

李　豪，白朝陽，趙　哲，趙麗杰，魏　興，商　偉

（1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116025；2.巨力索具股份有限公司，河北 保定 071000）

0　引言

壓力容器（RPV）、穩(wěn)壓器（PZR）、蒸汽發(fā)生器（SG）等核電站主設(shè)備均是一級安全設(shè)備，主設(shè)備的安裝是核電站建設(shè)的關(guān)鍵里程碑。主設(shè)備上還含有管嘴、管座、密封面等易損部件和結(jié)構(gòu)，主設(shè)備的安裝首先要保證其安全，因此，主設(shè)備安裝的專用工具關(guān)系著主設(shè)備的安全和核電站建設(shè)的進(jìn)度。主設(shè)備的翻轉(zhuǎn)豎立是安裝過程中的重要一環(huán)，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的設(shè)計計算起著至關(guān)重要的作用。某核電站采用我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)“華龍一號”，根據(jù)施工方案，安裝過程中擬采用翻轉(zhuǎn)抱環(huán)等工具對主設(shè)備進(jìn)行翻轉(zhuǎn)豎立。翻轉(zhuǎn)豎立過程中，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的強(qiáng)度、剛度能否滿足要求關(guān)系著主設(shè)備的安全。本文利用有限元分析軟件，根據(jù)實(shí)際工況對翻轉(zhuǎn)抱環(huán)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，為主設(shè)備的翻轉(zhuǎn)豎立提供可靠的依據(jù)。

1　主設(shè)備吊裝翻轉(zhuǎn)方案

主設(shè)備壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器均為圓筒形結(jié)構(gòu)，基本參數(shù)見表1.

表1　主設(shè)備基本參數(shù)

主設(shè)備翻轉(zhuǎn)和吊裝過程中用到的輔助工具有：環(huán)吊連接工具、提升索具、翻轉(zhuǎn)抱環(huán)、翻轉(zhuǎn)支架等。作業(yè)過程如下：環(huán)吊連接工具上部與起重設(shè)備連接，下部與主設(shè)備本體連接。主設(shè)備翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的耳軸坐落在翻轉(zhuǎn)支架的U型支座內(nèi)，為翻轉(zhuǎn)操作提供翻轉(zhuǎn)軸線，通過起重設(shè)備的移動和起升作業(yè)將主設(shè)備從臥式狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，然后將其吊運(yùn)至安裝位置。壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)作業(yè)分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　壓力容器翻轉(zhuǎn)豎立示意圖

圖2　穩(wěn)壓器翻轉(zhuǎn)豎立示意圖

圖3　蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)豎立示意圖

2　翻轉(zhuǎn)抱環(huán)載荷計算

2.1　翻轉(zhuǎn)抱環(huán)簡介

壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器主設(shè)備的翻轉(zhuǎn)抱環(huán)都相似，現(xiàn)以蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)抱環(huán)為例進(jìn)行說明。如圖4所示，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)由兩個半抱環(huán)體通過螺栓裝配而成，半抱環(huán)體由鋼板焊接而成，螺栓為自制高強(qiáng)螺栓。在主設(shè)備翻轉(zhuǎn)過程中，主設(shè)備的自重載荷被起重設(shè)備和抱環(huán)與本體產(chǎn)生的摩擦力來承擔(dān)。在翻轉(zhuǎn)抱環(huán)與主設(shè)備本體之間設(shè)置有橡膠墊，既能增大翻轉(zhuǎn)抱環(huán)與主設(shè)備本體的摩擦力，又能起到保護(hù)主設(shè)備的作用。

圖4　翻轉(zhuǎn)抱環(huán)連接示意圖

2.2　載荷計算

翻轉(zhuǎn)抱環(huán)與主設(shè)備的摩擦力由連接螺栓的預(yù)拉力產(chǎn)生，摩擦力的大小取決于螺栓預(yù)拉力的大小[1]。有限元計算時，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)承受的載荷包括兩部分：由螺栓預(yù)拉力產(chǎn)生的抱環(huán)內(nèi)圓柱面壓強(qiáng)和摩擦力。

抱環(huán)內(nèi)圓柱面壓強(qiáng)可通過下式計算：

P=2nF/A

式中：P為翻轉(zhuǎn)抱環(huán)內(nèi)圓柱面壓強(qiáng)；n為單側(cè)螺栓數(shù)量；F為單個螺栓預(yù)拉力；A為翻轉(zhuǎn)抱環(huán)與主設(shè)備的接觸面積，等于抱環(huán)內(nèi)徑與高度的乘積。

抱環(huán)產(chǎn)生的摩擦力可通過下式計算：

Fμ＝ μPπA

式中：μ為摩擦系數(shù)。

3　有限元計算與結(jié)果分析

3.1　工況說明

壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器等主設(shè)備在翻轉(zhuǎn)過程中，都是有上部環(huán)吊連接工具和翻轉(zhuǎn)抱環(huán)同時受力。在主設(shè)備豎直姿態(tài)時理論上也是上下同時受力，但在主設(shè)備翻轉(zhuǎn)到鉛垂位置的瞬間，有向前擺動的現(xiàn)象，此時靠觀測很難判斷垂直狀態(tài)，存在著不安全因素，有可能出現(xiàn)瞬間主設(shè)備自重全由翻轉(zhuǎn)抱環(huán)承受的情況。因此，計算翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的極限工況即可，即主設(shè)備在豎直姿態(tài)時，主設(shè)備自重全由翻轉(zhuǎn)抱環(huán)內(nèi)圓柱面的摩擦力承受。

3.2　有限元模型說明

安裝主設(shè)備翻轉(zhuǎn)方案，用ANSYS軟件對翻轉(zhuǎn)抱環(huán)進(jìn)行有限元建模。建模時遵循以下原則：

（1）翻轉(zhuǎn)抱環(huán)主要由鋼板和圓鋼組成，采用板單元shell63和實(shí)體單元solid45建模。

（2）各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置來確定；

（3）焊縫按結(jié)構(gòu)連接處理，忽略小的倒角。

主設(shè)備翻轉(zhuǎn)抱環(huán)計算以蒸汽發(fā)生器為例進(jìn)行計算說明，有限元模型如圖5所示。

圖5　蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)抱環(huán)有限元模型

3.3　邊界條件設(shè)置

邊界條件的設(shè)置包括約束和載荷施加兩部分。

約束：由于翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的耳軸坐落在翻轉(zhuǎn)支架的U型支座內(nèi)，所以在兩個耳軸上施加位移約束。

載荷施加包括翻轉(zhuǎn)抱環(huán)內(nèi)圓柱面的面載荷和蒸汽發(fā)生器自重載荷兩部分。

面載荷為：

蒸汽發(fā)生器自重載荷為：

式中：m為蒸汽發(fā)生器質(zhì)量（包括其相關(guān)附屬裝置），m=510 t；

抱環(huán)產(chǎn)生的摩擦力為：

可知，抱環(huán)產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)大于蒸汽發(fā)生器自重載荷，所以按照上述載荷施加是安全、可行的。

在模型中，面載荷施加在翻轉(zhuǎn)抱環(huán)內(nèi)圓柱面上，蒸汽發(fā)生器自重載荷施加在內(nèi)圓柱面相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

3.4　計算結(jié)果

按照以上有限元模型及邊界條件對蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)抱環(huán)進(jìn)行有限元分析計算，應(yīng)力、位移云圖如圖6、圖7所示。

圖6　蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)抱環(huán)應(yīng)力云圖

圖7　蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)抱環(huán)位移云圖

從上述圖表中的數(shù)據(jù)可以看出：

（1）翻轉(zhuǎn)抱環(huán)最大應(yīng)力為230.13 MPa，小于翻轉(zhuǎn)抱環(huán)材料（Q345B）的許用應(yīng)力[2，3]，故翻轉(zhuǎn)抱環(huán)強(qiáng)度滿足要求；

（2）翻轉(zhuǎn)抱環(huán)最大位移18.44 mm，為彈性位移，故翻轉(zhuǎn)抱環(huán)變形均滿足要求。

綜上，根據(jù)有限元計算分析結(jié)果，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)滿足主設(shè)備的安裝要求。

4　結(jié)束語

本文從核電站主設(shè)備的吊裝方案出發(fā)，提出了翻轉(zhuǎn)抱環(huán)計算方法，并采用有限元法建立計算模型，通過對不同工況的模擬計算，得出翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性系數(shù)等結(jié)果。結(jié)果顯示，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)能滿足主設(shè)備翻轉(zhuǎn)豎立過程中的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，這為核電站主設(shè)備的安全安裝提供了計算依據(jù)。