海洋條件下兩種不同法蘭結(jié)構(gòu)反應(yīng)堆壓力容器的密封性能對(duì)比研究

張錐

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 前言

反應(yīng)堆壓力容器（RPV）內(nèi)部包括燃料組件、堆內(nèi)構(gòu)件及帶有高放射性的高溫高壓冷卻介質(zhì)。從核安全和環(huán)境保護(hù)考慮，必須對(duì)RPV 進(jìn)行密封性能分析，以確保它在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)正常運(yùn)行。

對(duì)于RPV 的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析方法及實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。廖家麒、賀寅彪研究了頂蓋法蘭的錐段、厚度及密封面傾角3 個(gè)因素對(duì)密封性能的影響；陳駿等分析了2 種不同密封面結(jié)構(gòu)對(duì)密封性能的影響；熊光明、鄭連綱等建立了熱彈塑性三維有限元密封分析方法；李潤(rùn)方、杜雪松等開發(fā)了密封分析專用程序；曲家棣、George 等進(jìn)行了相關(guān)密封試驗(yàn)。

目前，這些研究主要基于陸上大型壓水堆，甚少涉及海上小型壓水堆。為滿足海洋條件下小堆RPV 密封性能和海洋平臺(tái)空間限制的要求，設(shè)計(jì)了2 種不同法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸的RPV。本文采用三維有限元分析方法，并基于ANSYS 開展了RPV 密封性能對(duì)比研究，得到了RPV 上下法蘭內(nèi)外環(huán)軸向分離量、主螺栓載荷等密封性能評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)，用于評(píng)估不同法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)RPV 密封性能的影響，為海上小堆RPV 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RPV 密封結(jié)構(gòu)主要由頂蓋法蘭、容器法蘭、主螺栓及密封面結(jié)構(gòu)等部件組成。其密封是通過(guò)主螺栓的拉伸使上下密封面處產(chǎn)生足夠的壓緊力來(lái)壓緊雙道密封槽中的密封環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)不同的剛度分布，從而產(chǎn)生不同的變形形態(tài)，對(duì)RPV 的密封性能產(chǎn)生重要影響。

依據(jù)相同的設(shè)計(jì)輸入和通用核容器設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)了兩種不同法蘭結(jié)構(gòu)形式的RPV 密封方案，如圖1 和圖2 所示。除法蘭結(jié)構(gòu)形式外，兩種方案的頂蓋厚度、筒體厚度、法蘭厚度、密封面結(jié)構(gòu)均相同。在頂蓋法蘭密封面加工一個(gè)α 斜面，可在螺栓預(yù)緊力不變的情況下減少密封分離量，有利于密封。密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示，其中α 值和斜面起始點(diǎn)位置通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到。兩種密封設(shè)計(jì)方案主要參數(shù)如表1 所示，相比RPV 1，RPV 2 的螺栓中心圓直徑、法蘭外徑均較小，需要的螺栓數(shù)量和螺栓緊固力也較小。

表1 兩種設(shè)計(jì)方案參數(shù)對(duì)比

圖1 RPV 1 密封結(jié)構(gòu)

圖2 RPV 2 密封結(jié)構(gòu)

圖3 密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 密封分析

3.1 分析模型

將上封頭開孔區(qū)通過(guò)折減彈性模量的方法等效為無(wú)孔區(qū)，忽略上封頭其他附件的影響；忽略進(jìn)出口接管的影響；“C”形密封環(huán)用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，可較好模擬密封環(huán)的壓縮回彈曲線。考慮到結(jié)構(gòu)及載荷的對(duì)稱性，沿RPV 軸向取包括半根螺栓的對(duì)稱結(jié)構(gòu)建立三維有限元分析模型，如圖4 和圖5 所示。

圖4 RPV 1 有限元模型

圖5 RPV 2 有限元模型

3.2 熱分析

本文采用基于ANSYS 的熱固間接耦合分析方法，即先進(jìn)行熱分析，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。為便于對(duì)比分析，2 種分析模型采用相同的載荷及邊界條件。

在冷卻劑與堆焊層內(nèi)壁面的接觸區(qū)域設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)，施加啟堆、正常運(yùn)行和停堆瞬態(tài)下的升降溫溫度載荷。為便于分析，3 種瞬態(tài)合并成一條瞬態(tài)曲線進(jìn)行計(jì)算，并保證正常運(yùn)行的時(shí)間足夠長(zhǎng)。模型外壁面保守做絕熱處理；考慮螺栓墊片與螺栓及頂蓋法蘭之間、上下法蘭密封面之間的接觸傳熱；在頂蓋法蘭螺栓孔與螺栓之間設(shè)置空氣單元，考慮空氣對(duì)傳熱的影響。

由計(jì)算結(jié)果可以看到，主螺栓在整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程中相對(duì)頂蓋法蘭和容器法蘭存在明顯的溫度滯后，兩種方案各部件的溫度對(duì)比情況如圖6 和圖7 所示，主螺栓的溫度滯后對(duì)比情況如圖8 所示。

圖6 RPV 1 溫度對(duì)比情況

圖7 RPV 2 溫度對(duì)比情況

圖8 2 種RPV 主螺栓溫度滯后情況對(duì)比

3.3 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析與熱分析采用相同的有限元網(wǎng)格，但不考慮空氣單元。結(jié)構(gòu)分析時(shí)，將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元。熱分析得到的瞬態(tài)溫度載荷，以體載荷的形式施加在結(jié)構(gòu)單元上。同時(shí)考慮瞬態(tài)壓力載荷、螺栓預(yù)緊載荷、海洋載荷及其他機(jī)械載荷，其中海洋載荷由主系統(tǒng)分析得到，并作用于RPV 上。

在ANSYS 中采用PRETS179 單元模擬主螺栓的預(yù)緊及在整個(gè)升降溫瞬態(tài)過(guò)程中的螺栓載荷。

在螺栓墊片與螺栓及頂蓋法蘭之間、上下法蘭密封面之間設(shè)置接觸，允許接觸面間的相對(duì)滑移，并考慮摩擦對(duì)接觸的影響。在RPV 頂蓋左側(cè)端部施加水平方向位移約束，在周向的兩個(gè)外側(cè)面施加對(duì)稱約束，在模型的底部施加豎直方向位移約束。

由計(jì)算結(jié)果得到，2 種方案內(nèi)外環(huán)軸向分離量時(shí)程數(shù)據(jù)對(duì)比、主螺栓載荷時(shí)程數(shù)據(jù)對(duì)比分別如圖9 和圖10所示。并提取了最大內(nèi)外環(huán)軸向分離量、主螺栓最大應(yīng)力及最大平均應(yīng)力，如表2 所示。

表2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

圖9 2 種RPV 內(nèi)外環(huán)軸向分離量對(duì)比

圖10 2 種RPV 主螺栓載荷對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

基于相同的總體參數(shù)及方法，設(shè)計(jì)了2 種不同結(jié)構(gòu)和尺寸的海上小型壓水堆RPV 密封方案，并通過(guò)基于ANSYS 的三維有限元方法，得到了評(píng)價(jià)RPV 密封性能的內(nèi)外環(huán)軸向分離量、主螺栓載荷等關(guān)鍵指標(biāo)，2 種RPV方案的密封性能均滿足要求。

RPV 2 的密封性能優(yōu)于RPV 1，其中最關(guān)鍵的上下法蘭內(nèi)環(huán)軸向分離量的安全裕量提高了13.4%，增加了海上小堆RPV 密封性能的可靠性，且2 種方案螺栓應(yīng)力差別不大。

RPV 2 的設(shè)計(jì)尺寸較小，可以為空間限制嚴(yán)格的海上小堆RPV 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。