基于熱固耦合的安全殼設備閘門密封性分析

吳晨暉

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430000)

0 引言

設備閘門是核電安全殼壓力邊界的重要組成部分，在反應堆正常運行和異常運行期間，都要保證安全殼壓力邊界部分的完整性和密封性[1]。在核電站事故工況下，設備閘門與安全殼一起形成第三層屏蔽，包容放射性物質(zhì)，是安全殼壓力邊界的重要組成部分，也是安全殼壓力邊界較薄弱的環(huán)節(jié)。

周新蓉等[1]基于ANSYS開展了不同壓縮量、溝槽寬度、密封圈硬度下，密封圈的整體受力以及密封性的影響。左樹春[2]通過針對AP1000安全殼整體變形對設備閘門密封面的變形影響，分析了事故工況下密封性能。徐道平[3]對各種橡膠材料及配方進行輻照老化、熱老化、LOCA工況老化等多種老化模擬試驗，研究出改性三元乙丙橡膠適用于不同事故工況下人員閘門的密封要求。

AP1000設備閘門在LOCA事故中密封結(jié)構(gòu)同時承受0.407 MPa壓力和149 ℃高溫[4]，導致O形橡膠密封圈單側(cè)受熱而發(fā)生非對稱膨脹，其密封圈各項應力勢必發(fā)生明顯變化，但現(xiàn)有研究僅限于固定溫度或低溫下的密封性能研究，尚未開展高溫狀態(tài)下的O形圈仿真研究。

本文采用ANSYS Workbench熱固耦合的方法，模擬AP1000設備閘門密封圈在高溫、高壓狀態(tài)的應力變化，分析設備閘門密封結(jié)構(gòu)在LOCA事故下的密封性能及變化。

1 仿真模型的建立

1.1 密封結(jié)構(gòu)幾何模型簡化

AP1000設備閘門主要由加強嵌板、貫穿件、閘門封頭及一些附屬結(jié)構(gòu)組成，閘門周界設置36個直徑27 mm的活節(jié)螺栓，貫穿件密封面設置兩道溝槽，采用O形橡膠圈密封。事故工況下，由于溫度壓力對設備閘門的作用，將導致密封面發(fā)生分離現(xiàn)象。應首先構(gòu)建設備閘門整體結(jié)構(gòu)模型，分析其整體結(jié)構(gòu)變形及溫度分布，調(diào)取密封面邊界條件加以分析。本文分析時，調(diào)取整體結(jié)構(gòu)變形確定初始壓縮量，同時調(diào)取設備閘門上下法蘭溫度值，作為初始邊界條件。

根據(jù)調(diào)研,AP1000設備閘門的密封件材質(zhì)為三元乙丙橡膠(EPDM)，2個O形密封圈在設備閘門法蘭面上同心布置，密封圈的直徑為19.05 mm[5]，彈性模量為7.84 MPa[3]，密封槽為燕尾形，密封槽深為16.12 mm[5]。三元乙丙橡膠在22 ℃時，熱膨脹系數(shù)為0.000 25/℃，各向熱導率取0.32 W/(m·℃)。設備閘門在溫度壓力作用下，密封面分離值約0.4 mm[2]，因此確定本文最終密封壓縮量為2.53 mm。

圖1 密封結(jié)構(gòu)示意

通過ANSYS建立O形圈的二維軸對稱模型，上部為法蘭蓋，中間圓形結(jié)構(gòu)為O形圈，下部為燕尾形溝槽法蘭，如圖1所示。為提高計算精度和收斂性，采用四面體網(wǎng)格進行劃分，模型共有6 793個節(jié)點，2 136個單元。

1.2 O形圈材料模型

橡膠材料的非線性主要表現(xiàn)在3個方面：(1)狀態(tài)非線性，是由于橡膠材料與接觸面的接觸狀態(tài)的不確定引起；(2)幾何非線性，橡膠材料在荷載的作用下會產(chǎn)生大變形，其位移-應變關(guān)系為非線性；(3)材料非線性，橡膠材料的泊松比接近0.5，幾乎不可壓縮，還會產(chǎn)生蠕變和松弛，屬于超彈性材料。

橡膠材料的應力-應變關(guān)系使用應變能密度函數(shù)來描述，在ANSYS中使用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系，含有兩個參數(shù)的Mooney-Rivlin方程為[6]：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中W——應變能密度；

C10，C01——Mooney-Rivlin系數(shù);

I1，I2——第一、第二Green應變不變量。

根據(jù)密封圈材料的硬度或彈性模量可計算兩個參數(shù)的具體值，密封圈彈性模量E與兩個參數(shù)的關(guān)系如下式[7-8]：

C10+C01=E/6C01=0.25C10

(2)

文本研究對象為彈性模量7.84 MPa的三元乙丙橡膠橡膠圈，得到：C10=1.045 MPa，C01=0.261 MPa。

Mooney-Rivlin模型定義材料剪切強度為[9]：

G=2(C10+C01)

(3)

由此得到O形圈的剪切強度G=2.612 MPa。

1.3 有限元模型的建立

本文使用結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，先進行溫度場分析，在此基礎上進行結(jié)構(gòu)分析。

進行溫度分析時，整個密封圈的溫度場屬于穩(wěn)態(tài)分析，固定周圍環(huán)境溫度為22 ℃，O形圈單側(cè)受溫度載荷，不考慮熱輻射，并設定上下法蘭溫度為149 ℃。在ANSYS計算時，設置O形圈右側(cè)受149 ℃溫度載荷，熱膨脹系數(shù)為0.000 25/℃，各向熱導率取0.32 W/(m·℃)，分析O形圈內(nèi)部溫度場自右向左逐漸變低，如圖2所示。

圖2 密封圈溫度場分布示意

在結(jié)構(gòu)計算中假設橡膠的材料性能不隨溫度發(fā)生改變，如彈性模量和泊松比。同時，O形圈材料的熱物理參數(shù)也不隨溫度發(fā)生改變。計算時設置3個載荷步：(1)0～5 s,使法蘭蓋向下移動，對密封圈進行預壓縮，模擬設備閘門密封圈在安裝完畢后的應變；(2)5～15 s，向O形圈一側(cè)施加均布的壓力，模擬在右側(cè)受到介質(zhì)壓力時的情況；(3)15～20 s，將溫度場耦合在O形圈上，模擬其在右側(cè)受高溫時的變化。

O形圈首先承受法蘭蓋向下的位移載荷，壓縮成長圓形，之后右側(cè)受0.407 MPa壓力，由于O形圈與上下法蘭有摩擦接觸，向左緩慢移動，承受溫度載荷后，O形圈整體受熱膨脹，且右側(cè)膨脹面積明顯大于左側(cè)。O形圈von Mises變化見圖3。

圖3 密封圈受載荷變化示意

2 計算結(jié)果分析

O形密封圈密封性能的分析針對密封性能和材料安全性兩個方面。密封性能指有效接觸寬度、最大接觸應力。最大接觸應力代表了密封介質(zhì)壓力的能力，最大接觸應力應大于介質(zhì)壓力。接觸面寬度越大，表示密封失效的概率越低。材料安全性指von Mises應力和最大剪切應力。von Mises應力越大，越會加速橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現(xiàn)裂紋[10-11]。當O形圈的剪切應力超過橡膠材料的剪切強度時，則密封圈在此位置被撕裂，甚至被剪斷，造成密封圈失效[12-13]。

2.1 施加溫度載荷對靜密封性能的影響

為了對比施加溫度載荷與未施加溫度載荷的應力分布情況，分別構(gòu)建兩種工況的有限元模型，計算工況有：(1)位移載荷;(2)壓力載荷;(3)溫度載荷。表1列出是否施加溫度載荷，有效接觸寬度、最大接觸應力、最大剪切應力、von Mises應力結(jié)果對比。

表1 溫度載荷對靜密封性能的影響結(jié)果對比

由表1看出，在增加溫度載荷后，von Mises應力、最大剪切應力、有效密封寬度和最大接觸應力均呈現(xiàn)增加趨勢。此時有效接觸寬度8.4 mm，接觸應力1.315 4 MPa，經(jīng)與參考文獻[3]試驗數(shù)據(jù)對比，可認為達到有效密封，并有一定余量。von Mises應力、最大剪切應力增幅大于有效密封寬度和最大接觸應力，可見在受溫度載荷時，O形圈密封性能有一定提升，但受破壞可能性增幅更大。

2.2 不同溫度載荷對靜密封性能的影響

為了研究O形圈在不同溫度載荷對密封特性的影響，分析不同溫度下密封面Mises應力、有效接觸寬度、最大接觸應力以及最大剪切應力的變化規(guī)律，以及對密封圈密封性能的影響。由于AP1000在LOCA事故下設計溫度為149 ℃，因此本文溫度載荷選取為129，149，169，189，209 ℃，計算結(jié)果如表2所示。

表2 施加不同溫度載荷對靜密封性能的影響結(jié)果

由表2看出，隨著溫度載荷變化，最大接觸應力、最大剪切應力、von Mises應力基本呈線性變化。如圖4所示，在149 ℃時，有效接觸寬度最低；在189 ℃時，最大接觸應力變化率增加；在209 ℃時，最大剪切應力1.077 6 MPa，安全系數(shù)為43%，整體密封性能和材料安全性均在許可范圍內(nèi)。

(a)有效接觸寬度 (b)最大接觸應力

2.3 不同熱膨脹系數(shù)對靜密封性能的影響

O形圈右側(cè)受熱發(fā)生非對稱膨脹，影響密封結(jié)構(gòu)的密封性能?，F(xiàn)選取熱膨脹系數(shù)0.000 25～0.000 75進行分析，計算結(jié)果如表3所示。

表3 密封圈熱膨脹系數(shù)對靜密封性能的影響結(jié)果

由表3可以看出，隨著熱膨脹系數(shù)逐漸增大，有效密封寬度、最大接觸應力、最大剪切應力、von Mises應力也逐漸增大，但均在密封許可的范圍內(nèi)。如圖5所示，在熱膨脹系數(shù)為0.000 55/℃時，最大剪切應力、von Mises應力變化速率最大。熱膨脹系數(shù)為0.000 75/℃時，最大剪切應力最大，為1.447 9 MPa，剪切應力安全系數(shù)為55%。

(a)von Mises應力

(b)最大剪切應力

3 結(jié)語

在增加溫度載荷后，von Mises應力、最大剪切應力、有效密封寬度和最大接觸應力均呈現(xiàn)增加趨勢。von Mises應力、最大剪切應力增幅大于有效密封寬度和最大接觸應力，可見在受溫度載荷時，O形圈密封性能有一定提升，但受破壞可能性增幅更大。因此，開展安全殼設備閘門密封結(jié)構(gòu)溫度校核是十分必要的。

隨著溫度載荷增加，O形橡膠密封圈密封性能更好，因此可以適當減少壓縮量，以避免出現(xiàn)橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現(xiàn)裂紋。在選擇密封圈材料時，熱膨脹系數(shù)應盡可能大，在受高溫載荷時密封性能更好，但應注意核算最大剪切應力，避免超出許用范圍而出現(xiàn)剪切破壞。