核電廠排管容器爆破片設(shè)計(jì)與研究

劉少偉，徐 軍，楊勝凱，高兵兵，程 鑫

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300；2.上海華理安全裝備有限公司，上海 201108；3.華東理工大學(xué)，上海 200237)

0 引言

爆破片作為一種非再閉式壓力釋放裝置，其作用在于出現(xiàn)超壓影響設(shè)備安全時(shí)，爆破片破裂泄放壓力介質(zhì)從而保護(hù)設(shè)備主體安全。重水堆核電站在核島內(nèi)慢化劑覆蓋氣體系統(tǒng)中安裝有4 個(gè)排管容器爆破片用于系統(tǒng)的超壓保護(hù)，作為堆芯壓力容器系統(tǒng)的重要部件，正常運(yùn)行工況下其內(nèi)部介質(zhì)一旦泄漏將直接導(dǎo)致整個(gè)核島廠房污染，該爆破片的可靠性直接影響核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)該爆破片的合理設(shè)計(jì)和選擇提出較為嚴(yán)格的要求，同時(shí)考慮到系統(tǒng)本身的壓力波動(dòng)等影響，對(duì)爆破片的可靠性與使用壽命也提出了嚴(yán)格要求。本文通過(guò)對(duì)該排管容器爆破片在不同工況下部件強(qiáng)度、模態(tài)分析以及抗震分析計(jì)算，為核電設(shè)備中爆破片的制造奠定了基礎(chǔ)。

1 排管容器爆破片功能及設(shè)計(jì)參數(shù)

排管容器爆破片為18 英寸核1 級(jí)管道上設(shè)備，位于反應(yīng)堆排管容器頂部、反應(yīng)性控制平臺(tái)兩側(cè)。作為慢化劑覆蓋氣體回路上設(shè)備，該回路是封閉的氦氣循環(huán)回路，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高至90 kPa 時(shí)爆破片開(kāi)始變形，上升至138 kPa 時(shí)爆破片破裂、釋放壓力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的超壓保護(hù)功能。

該爆破片為反拱刻槽型，關(guān)鍵參數(shù)信息見(jiàn)表1。根據(jù)ASMEBPVC II-D 性能（公制），排管容器爆破片裝置主要部件材料特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 爆破片主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材料特性參數(shù)

2 排管容器爆破片模態(tài)分析

2.1 爆破片結(jié)構(gòu)模型化

本文通過(guò)三維制圖軟件建立排管容器爆破片模型，并利用有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分，在進(jìn)出口法蘭連接處施加邊界約束，將X、Y、Z 方向位移限制為0。在有限元模型的建立時(shí)，首先對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。在簡(jiǎn)化過(guò)程中，會(huì)刪去墊片等零件，同時(shí)也要簡(jiǎn)化圓角、倒角等局部結(jié)構(gòu)。圖1 為分析中模態(tài)計(jì)算和抗震計(jì)算的網(wǎng)格模型，模型采用SOLID187 結(jié)構(gòu)實(shí)體單元和TARGE170、CONTA174 接觸單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，單元為六面體網(wǎng)格、大小為10 mm。

圖1 排管容器爆破片有限元模型

2.2 計(jì)算載荷

爆破片抗震分析考慮計(jì)算載荷包括：①內(nèi)壓和設(shè)備自重，即DPD 和DW 載荷；②地震載荷，采用等效靜力法以加速度值施加。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)數(shù)據(jù)，分析中兩個(gè)水平方向?yàn)?.5g，豎直方向?yàn)?g。每個(gè)螺栓扭矩大小為620 N·m，得出預(yù)緊力大小為103 333 N。

2.3 設(shè)備應(yīng)滿足的準(zhǔn)則

2.3.1 承壓部件爆破片應(yīng)滿足的規(guī)范和準(zhǔn)則

本爆破片裝置在DBE，A 地震作用下，應(yīng)保持設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。不同工況下的載荷組合及其應(yīng)力限值如表3所示，其中Sm為材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值、Pm為拉伸應(yīng)力。

表3 滿足的準(zhǔn)則和許用應(yīng)力限值

2.3.2 連接螺栓應(yīng)該滿足的規(guī)范和準(zhǔn)則

按照ASME BPVC-Ⅲ《核設(shè)施部件建造規(guī)則第一冊(cè)NB 分卷》中NB-3230 和ASME BPVC-Ⅲ《核設(shè)施部件建造規(guī)則第一冊(cè)附錄》中F-1335 規(guī)定，螺栓拉應(yīng)力ft不超過(guò)0.7Su和Sy中的較小值；螺栓剪應(yīng)力fv不超過(guò)0.42Su和0.6Sy中的較小值；拉剪組合應(yīng)力不超過(guò)1，即≤1。

2.4 模態(tài)分析結(jié)果

采用有限元法對(duì)爆破片裝置進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，確定爆破片裝置的固有頻率和振型。計(jì)算模型中對(duì)爆破片裝置兩端面加上固定約束條件，在模態(tài)計(jì)算時(shí)提取前三階固有頻率數(shù)。該爆破片裝置的1 階、2 階和3 階固有頻率的計(jì)算結(jié)果分別為784.86 Hz（振動(dòng)方向Z 方向）、784.88 Hz 和810.47 Hz。

基頻結(jié)果圖在ANSYS 后處理模塊中顯示的一階模態(tài)變形云圖；從圖2 中可以看出，其振型沿著Z 方向。從結(jié)果可知，爆破片裝置的最低階固有頻率為784.86 Hz，表明該爆破片裝置結(jié)構(gòu)剛性好，在抗震計(jì)算時(shí)可采用等效靜力法。

圖2 爆破片裝置1 階模態(tài)

3 排管容器爆破片計(jì)算與評(píng)定

根據(jù)上述模態(tài)分析結(jié)果，對(duì)排管容器爆破片進(jìn)行等效靜力學(xué)抗震分析，驗(yàn)證其在不同工況下保證壓力邊界的完整性，同時(shí)不喪失本身的功能。

3.1 設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力評(píng)定

在設(shè)計(jì)工況下，爆破片裝置承受的載荷有自重、設(shè)計(jì)內(nèi)壓、設(shè)計(jì)溫度和螺栓預(yù)緊力。在ANSYS 建立相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)工況下在入口內(nèi)表面及爆破片上施加設(shè)計(jì)壓力0.153 MPa；垂直方向上施加重力加速度1g；固定爆破片裝置出入口法蘭端面；在每個(gè)螺栓上施加103 333 N 的預(yù)緊力；螺栓結(jié)構(gòu)與法蘭接觸位置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)0.2。圖3 為設(shè)計(jì)工況下爆破片裝置總體的應(yīng)力及變形云圖，并對(duì)重要零件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則為σm＜Sm。

圖3 爆破片裝置的整體應(yīng)力和變形云圖

3.1.1 出、入口法蘭應(yīng)力評(píng)定

根據(jù)模型中設(shè)計(jì)工況下出入口法蘭的應(yīng)力云圖，由出口法蘭內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為9.655 1 MPa，入口法蘭由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為2.508 6 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值。因?yàn)槌鋈肟诜ㄌm的一次薄膜應(yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)出入口法蘭的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值（圖4、表4）。

圖4 設(shè)計(jì)工況下出、入口法蘭的應(yīng)力云圖

表4 出、入口法蘭應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.1.2 設(shè)計(jì)工況下上、下夾持器評(píng)定

根據(jù)模型中設(shè)計(jì)工況下上、下夾持器的應(yīng)力云圖，上夾持器由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為10.538 MPa，下夾持器由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為5.705 4 MPa，小于材料許用應(yīng)力值（圖5）。因?yàn)樯?、下夾持器的一次薄膜應(yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)上夾持器的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定結(jié)果如表5 所示。

圖5 設(shè)計(jì)工況下上、下夾持器的應(yīng)力云圖

圖6 設(shè)計(jì)工況下下爆破片的應(yīng)力云圖

表5 上夾持器應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.1.3 設(shè)計(jì)工況下爆破片評(píng)定

根據(jù)設(shè)計(jì)工況下爆破片的應(yīng)力云圖（圖5），由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為80.915 MPa，小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)楸破囊淮伪∧?yīng)力總是小于最大應(yīng)力，因此無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)爆破片的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定結(jié)果如表6 所示。

表6 爆破片應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.1.4 設(shè)計(jì)工況下螺栓評(píng)定

進(jìn)出口法蘭由16 組M30 螺栓連接，螺栓的材料為GrB7，其許用應(yīng)力為172 MPa，是合金結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)ASME BPVC II-D性能（公制），工作溫度下其抗拉極限為862 MPa，屈服強(qiáng)度為698 MPa，在計(jì)算載荷作用下，按最嚴(yán)苛的奧氏體鋼校核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。連接螺栓的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

圖7 螺栓的拉應(yīng)力及剪應(yīng)力云圖

表7 螺栓應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.1.5 設(shè)計(jì)工況下爆破片變形情況

爆破片變形情況如圖8 所示，爆破片的最大變形量為0.079 044 mm，出現(xiàn)在中心位置，變形量極小，不會(huì)導(dǎo)致爆破片裝置功能失效。

圖8 爆破片整體變形

3.2 B 級(jí)、C 級(jí)工況下的應(yīng)力評(píng)定

爆破片裝置在B 級(jí)、C 級(jí)工況下承受的載荷有：自重、設(shè)計(jì)內(nèi)壓、設(shè)計(jì)溫度、螺栓預(yù)緊力。在ANSYS 建立好相應(yīng)的有限元模型后進(jìn)行分析，B 級(jí)工況下在出口內(nèi)表面及爆破片上施加設(shè)計(jì)壓力0.153 MPa；C 級(jí)工況下在入口內(nèi)表面及爆破片上施加設(shè)計(jì)壓力0.028 MPa；其他均與設(shè)計(jì)工況一致，對(duì)重要零件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

3.2.1 B 級(jí)工況下出口法蘭評(píng)定

B 級(jí)工況下出口法蘭由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為7.413 MPa，小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)槌隹诜ㄌm的一次薄膜應(yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)出口法蘭的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定通過(guò)（表8）。

3.2.2 B 級(jí)工況上、下夾持器評(píng)定

B 級(jí)工況上夾持器由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為10.88 MPa，下夾持器由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.259 MPa 小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)樯蠆A持器的一次薄膜應(yīng)力總是小于最大應(yīng)力，因此無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)上夾持器的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定通過(guò)（表9）。

表9 B 級(jí)工況下上、下夾持器應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.2.3 B 級(jí)工況下爆破片評(píng)定

B 級(jí)工況下爆破片由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為81.09 MPa，小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)楸破囊淮伪∧?yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)爆破片的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定通過(guò)（表10）。

表10 B 級(jí)工況下爆破片應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.2.4 B 級(jí)工況下螺栓評(píng)定在計(jì)算載荷作用下，按最嚴(yán)苛的奧氏體鋼校核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。連接螺栓的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與表7 一致。

3.2.5 B 級(jí)工況下爆破片變形情況

爆破片變形情況如圖9 所示，爆破片的最大變形量為0.078 048 mm，出現(xiàn)在中心位置，變形量極小，不會(huì)導(dǎo)致爆破片裝置功能失效。

3.3 C 級(jí)工況下的應(yīng)力評(píng)定

3.3.1 C 級(jí)工況出、入口法蘭評(píng)定

出口法蘭由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.691 MPa，入口法蘭由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為0.486 MPa 小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)槌隹诜ㄌm的一次薄膜應(yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)出口法蘭的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定通過(guò)（表11）。

表11 C 級(jí)工況出、入口法蘭應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.3.2 C 級(jí)工況上、下夾持器評(píng)定

C 級(jí)工況上夾持器由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為2.270 MPa，下夾持器由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.097 MPa，小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)樯蠆A持器的一次薄膜應(yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)上夾持器的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，評(píng)定通過(guò)（表12）。

表12 C 級(jí)工況上、下夾持器應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.3.3 C 級(jí)工況下爆破片評(píng)定

根據(jù)C 級(jí)工況下爆破片的應(yīng)力云圖，由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為16.706 MPa，小于材料許用應(yīng)力值。因?yàn)楸破囊淮伪∧?yīng)力總是小于最大應(yīng)力，無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力線性化即可確認(rèn)爆破片的一次薄膜應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值（表13）。

表13 爆破片應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.3.4 C 級(jí)工況下螺栓評(píng)定

在計(jì)算載荷作用下，按最嚴(yán)苛的奧氏體鋼校核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。連接螺栓的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表14 為螺栓的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果表。

表14 螺栓應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3.3.5 C 級(jí)工況下爆破片變形情況

爆破片變形情況如圖10 所示，爆破片的最大變形量為0.014 579 mm，出現(xiàn)在中心位置，變形量極小，不會(huì)導(dǎo)致爆破片裝置功能失效。

圖10 爆破片整體變形（C 級(jí)工況）

4 結(jié)論

本文通過(guò)抗震分析對(duì)爆破片裝置進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后通過(guò)設(shè)計(jì)工況、B 級(jí)工況、C 級(jí)工況計(jì)算爆破片裝置各部件的應(yīng)力，并進(jìn)行評(píng)定。其結(jié)果表明：

（1）該爆破片裝置能動(dòng)部件的變形很小，能在地震時(shí)和地震后保持可運(yùn)行性；

（2）整體結(jié)構(gòu)無(wú)永久變形，承壓邊界變形極小，其變形不會(huì)導(dǎo)致爆破片裝置功能失效。

因此，在爆破片裝置的制造和材料等均符合相關(guān)規(guī)范及相應(yīng)要求的前提下，該爆破片裝置在地震工況條件下能保證其爆破片裝置功能性和壓力邊界結(jié)構(gòu)完整性，該爆破片裝置能滿足抗震要求，為后續(xù)進(jìn)口核級(jí)爆破片的國(guó)產(chǎn)化替代研究工作提供了積極參考意義。