非能動余熱排出熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與優(yōu)化

黃 慶，張振華，蔣 興

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233)

核電廠換熱器按傳熱面型式分為管式換熱器(含傳熱管)和板式熱交換器[1]。而三代AP1000依托項目的非能動余熱排出熱交換器(PRHR HX)為C型框架式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的U型管換熱器的支承件采用的隔板，熱對其影響基本可以忽略。主要考慮壓力、自重和地震等載荷的影響[2,3]。而在PRHR HX中，設(shè)備運(yùn)行瞬態(tài)一次側(cè)的溫度變化劇烈，傳熱管的熱膨脹受到支撐條、框架等支承件的約束，會引起支撐條的一次應(yīng)力，而根據(jù)規(guī)范該應(yīng)力不可忽略，因此需進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

PRHR HX置于安全殼 (IRWST)水箱中，該換熱器由自內(nèi)向外共29排、將近700根的形狀似C的傳熱管組成[4]。因為傳熱管頗長，所以需要用支撐條增加剛度，以防止傳熱管的過度變形，支撐條共9排，由于上下對稱，分為5種類型。另外傳熱管與支撐條之間留有很小的間隙，所以其接觸條件頗為復(fù)雜，其傳熱管的簡化處理和如何在有限元中模擬，是本文研究的重點。而支撐條本身也需承受熱、自重、地震和流致振動等載荷[5-9]等，由于傳熱管和支撐條縱橫交錯，所以還要考慮安裝的問題，因此支撐條的應(yīng)力及其固定方式，也是本文研究的重點。

在進(jìn)行PRHR HX熱應(yīng)力分析時，常采用簡化模型[5]和整體模型分析方法，因簡化模型的計算結(jié)果卻過于保守，應(yīng)力不能過關(guān)。本文采用整體模型法進(jìn)行熱應(yīng)力分析[6]。

在進(jìn)行抗震分析時，因傳熱管的數(shù)量太多，采用整體模型無法找到設(shè)備的整體頻率，所以其傳熱管的簡化和邊界條件的處理是此模型的研究重點。分析計算模型的正確性最好采用試驗來驗證。

本文采用整體模型和抗震簡化模型分別對PRHR HX進(jìn)行了熱應(yīng)力和抗震分析。通過對以上兩個模型的分析和評定，其結(jié)果為除支撐條類型Ⅲ的固定處外，均滿足ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊NF[7]的接受準(zhǔn)則，所以需要對原設(shè)計的支撐條類型Ⅲ的固定方式進(jìn)行修改，以滿足應(yīng)力限制。

為了驗證抗震分析模型計算的正確性，我院曾開展傳熱管動態(tài)特性試驗研究[8]。該研究通過試驗和分析的對比，獲得的分析方法為本文的抗震分析模型打下基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)描述

非能動余熱排出熱交換器主要由封頭、C型傳熱管和支撐部件組成。C型傳熱管的進(jìn)出口分別和頂部、底部的管板相連。支撐部件包括上下支撐組件、框架構(gòu)件和傳熱管支撐條組成，其中類型Ⅱ只支撐一半的傳熱管，另外，類型Ⅲ距C型彎曲處最近，所承受的熱變形也是最大。

非能動余熱排出熱交換器總體示意如圖1所示。支撐條和框架通過固定板、鎖定板和焊接板等部件連接在一起。其中支撐條插入鎖定板中，通過點焊將支撐條固定在鎖定板中；通過角焊縫將方鋼與焊接板焊接在一起，通過螺栓將鎖定板/固定板與焊接板連接在一起(見圖2)。

圖1 PRHR HX總體圖Fig. 1 General layout of the passive residual heat removal heat exchanger’s major component overview

圖2 類型Ⅰ支撐條及連接部件示意圖Fig.2 PRHR tube support interface with housing (type Ⅰ)

1.1 熱載荷

選取溫差最大的熱瞬態(tài)工況，即專設(shè)安全設(shè)施誤動作工況B：PRHR隔離閥誤開，來對其進(jìn)行保守的分析，即一次側(cè)上水平管束、垂直管束和下水平管束中水的均溫分別為164.4 ℃、156.9 ℃和147.8 ℃。此時內(nèi)置換料水箱(IRWST)(傳熱管支撐件)的溫度為10 ℃。

圖3 熱載荷施加示意圖Fig.3 Thermal load

1.2 驗收準(zhǔn)則

根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊NF分卷NF—3300規(guī)定，對線性支撐件的許用應(yīng)力進(jìn)行評定。

支撐件主要承受的載荷是自重、熱載荷和地震載荷。在設(shè)計和各級使用限制下，具體的評定限值如表1所示。

表1 各級使用限制下的應(yīng)力限值

注：當(dāng)A級/B級/C級載荷一樣時，評定時可采用A級應(yīng)力限值來包括B級和C級。

2 熱應(yīng)力分析

熱應(yīng)力分析常采用簡化模型和整體模型分析方法。我院曾采用簡化模型和整體模型分別建立了PRHR HX模型，兩種分析模型的結(jié)果對比可由文獻(xiàn)[6]查得。因簡化模型的計算結(jié)果卻過于保守，應(yīng)力不能滿足規(guī)范要求。故本文僅對整體模型法進(jìn)行熱應(yīng)力分析進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

整體模型除了包括所有傳熱管、五種類型支撐條、框架、上下封頭和管板等主體部件外，還包含用于支撐條和框架連接的螺栓、焊接板和鎖定板等連接部件。采用ANSYS軟件中的梁單元BEAM4建立框架、傳熱管支撐和鎖定板等的計算模型；采用管單元PIPE16對689根C型傳熱管進(jìn)行建模；采用殼單元SHELL63對支撐殼體、延伸法蘭、封頭部分進(jìn)行建模(見圖4和圖5)。

圖4 整體模型的局部示意圖Fig.4 Integral model

圖5 傳熱管在管板和支撐類型V處的分布Fig.5 Distribution of heat transfer tubes in tube sheet and type V supporting bars

分析時，將與墻體相連部分的支撐殼體全約束；下部支撐組件對應(yīng)的節(jié)點垂向約束。

傳熱管(共有689根)插在支撐條中，按設(shè)計要求支撐條與傳熱管中有一定的間隙(0.15mm)，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的結(jié)論，水平傳熱管耦合Y和Z兩個方向；垂直傳熱管耦合X和Y兩個水平向，坐標(biāo)系和綁定位置示意圖如圖6所示。

圖6 邊界條件示意圖Fig.6 Boundary condition

鎖定板和支撐條的焊縫，有以下兩種邊界處理情況：

(1)未受損：約束6個方向；

(2)受損：約束2個位移向。

由于鎖定板和支撐條間角焊縫的長度和高度不滿足ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊NF分卷第1冊NF—3324.5(d)[7]的要求，故該焊縫不是結(jié)構(gòu)焊，僅為裝配目的。采用全模型對CAP1000項目進(jìn)行線彈性分析時，最初假定為焊縫未受損的情況(即邊界處理情況1)。發(fā)現(xiàn)在自重和熱載荷的作用下該項目的薄弱區(qū)域，即類型Ⅲ的焊縫受損，對受損后(即邊界處理情況2)的情況進(jìn)行在自重、熱載荷和地震載荷下的等效靜力分析，其結(jié)論為三號支撐條在軸向的位移為12.98～92.25 mm大于安裝長度12.7 mm，此時類型Ⅲ坍塌起不了支撐作用。通過對該模型的邊界處理的敏感分析，發(fā)現(xiàn)如增加軸向約束即約束3個位移方向時，其軸向最大的位置為1.29 mm小于12.7 mm的位置限制。故在原設(shè)計上增加了軸向約束來限制支撐條軸向的位移，并使焊縫不受力(見圖7)。

圖7 類型Ⅲ支撐裝置Fig.7 TypeⅢ supporting bars

增加軸向約束后，采用線彈性分析，支撐條Ⅲ在A級使用限制下的彎曲應(yīng)力為263.8 MPa，大于A級限值129 MPa，不能滿足規(guī)范的要求。采用規(guī)范允許的方法釋放保守裕量后，滿足規(guī)范的要求。為了提高安全性，我們在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化(見圖8)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，其剛度明顯增加。采用線彈性分析法對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，其結(jié)果為114.5 MPa小于129 MPa的限值，能滿足規(guī)范的要求。該優(yōu)化已應(yīng)用于CAP1000后續(xù)項目中。

圖8 支撐條類型Ⅲ更改前后Fig.8 TypeⅢ brace bar before and after modification on

3 抗震分析

在抗震分析時，設(shè)備的動態(tài)分析簡化模型要滿足三個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)：

(1)設(shè)備的動態(tài)質(zhì)量和剛度性能的符合性；

(2)各部件邊界的振動耦合效應(yīng)的符合性；

(3)試驗結(jié)果的符合性。

另外，在進(jìn)行抗震分析前，需解決一些技術(shù)問題：即C型傳熱管束的簡化，如何將近千根傳熱管合理簡化為幾根傳熱管；邊界條件的處理，包括傳熱管及支撐條之間、支撐條與框架之間，以及框架與上下支撐之間。

CAP1000項目PRHR HX抗震模型采用ANSYS軟件中的梁單元BEAM4建立優(yōu)化后的PRHR HX框架、傳熱管、傳熱管支撐和鎖定板等的計算模型；采用殼單元SHELL63對支撐殼體、延伸法蘭、封頭部分進(jìn)行建模。模型中考慮了設(shè)備排開水、設(shè)備內(nèi)含水和流致振動增加組件的影響，其影響通過增加質(zhì)量的方式附加在對應(yīng)的部件單元上(見圖9)。

本文將689根傳熱管簡化成7根C型傳熱管，即外層(1根)、中外層(1根)、中間層(3根)、中內(nèi)層(1根)和內(nèi)層(1根)。外層和內(nèi)層的代表同層的傳熱管(9根)；最中間層的兩頭代表一根，最中間一根代表中間層的其他傳熱管。由于支撐條IIB/IIT只能支持一半傳熱管，故增加中外層和中內(nèi)層兩根傳熱管來代表中外部分和中內(nèi)部分的C型傳熱管(見圖10)。

圖9 CAP1000 PRHR HX有限元模型Fig.9 Finite element model of CAP1000 PRHR HX

圖10 7根C型傳熱管的位置示意圖Fig.10 Schematic of the location of 7 type C heat transfer tubes

對以上模型進(jìn)行抗震分析，其結(jié)論為各部件均滿足規(guī)范要求。該模型是否能應(yīng)用于工程，還需通過三大技術(shù)指標(biāo)來驗證其正確性。通過與圖冊的對比，兩者吻合很好，驗證了設(shè)備的質(zhì)量和剛度的正確性，即滿足關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(1)。

由于此設(shè)備內(nèi)部接觸較多，判斷關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(2)存在困難，如果能滿足關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(3),前兩大技術(shù)指標(biāo)一定滿足。

4 試驗驗證

抗震分析最重要的技術(shù)指標(biāo)是滿足技術(shù)指標(biāo)3，即試驗結(jié)果的符合性。由于PRHR HX的結(jié)構(gòu)尺寸和重量較大，按照實際尺寸進(jìn)行動態(tài)特性試驗存在較大的困難。因此整個試驗件是按照PRHR HX結(jié)構(gòu)制作的一個與實體結(jié)構(gòu)相似但尺寸較小(盡量使換熱管的無支撐間距保持與產(chǎn)品一致)的試驗?zāi)M體(見圖11)，但是C型管、支撐條以及其間隙都是精確模擬。

本試驗分兩部分：即單管傳熱管的模態(tài)試驗和整體模擬體試驗。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了分析方法和試驗對比。

圖11 試驗件Fig.11 Simulator

4.1 單根傳熱管分析方法的試驗驗證

單根傳熱管的試驗在室溫下采用了力錘和多輸入多輸出(MIMO)模態(tài)分析軟件方式對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。計算采用ANSYS軟件的管單元 (PIPE16) 建立了11排單根C型傳熱管的有限元梁型模型，計算和試驗結(jié)果對比詳如圖12所示。由圖可知：兩者結(jié)果吻合，說明假設(shè)的管與支撐條的邊界處理合理，滿足工程要求。

圖12 單管測試結(jié)果和分析結(jié)果圖Fig.12 Test and analysis results of single tube

4.2 模擬體分析方法的試驗驗證

試驗?zāi)M體的模態(tài)試驗在室溫下分別采用敲擊法和白噪聲激勵法來進(jìn)行。通過敲擊法獲得模擬體兩個水平方向的模態(tài)結(jié)果；通過白噪聲激勵法獲得模擬體三個方向的模態(tài)結(jié)果。在管束的簡化處理中，以保持管束和支撐條的質(zhì)量和剛度與實際一致為原則，將11排89根傳熱管及其支撐條進(jìn)行了6種等效方案的簡化分析，圖13給出了部分試驗和分析結(jié)果，詳細(xì)的分析方法和試驗數(shù)據(jù)詳見文獻(xiàn)[8]。

由文獻(xiàn)[8]可知，6種方案的計算值和試驗值吻合良好，說明傳熱管的簡化都滿足工程要求。在C型傳熱管簡化處理時，最少可簡化為3根。結(jié)合圖8和圖9可知，傳熱管簡化為5根，以中間排傳熱管為基準(zhǔn)，向上和向下均簡化為3根，故抗震分析模型滿足三大技術(shù)指標(biāo)。

圖13 試驗和分析結(jié)果Fig.13 Test and analysis results of the simulator

5 結(jié)論

采用以上的分析方法對AP1000項目和CAP1000項目PRHR HX進(jìn)行了熱分析和抗震分析。其分析結(jié)果如下：

(1)提出了整體模型的熱應(yīng)力分析方法，可全面分析焊縫和螺栓等連接部件的情況，能適應(yīng)可變的邊界。發(fā)現(xiàn)了AP1000項目的薄弱區(qū)域，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高了CAP1000項目的安全性。

(2)在解決兩大技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，建立了滿足三大關(guān)鍵指標(biāo)的抗震模型，該模型的分析結(jié)果為設(shè)備改進(jìn)后，該設(shè)備能滿足規(guī)范要求。

(3)通過模擬體試驗和分析的對比，驗證了抗震分析的正確性。并為非能動余熱排出熱交換器的抗震分析和流致振動分析奠定了夯實的基礎(chǔ)。