ANSYS在核級管道應力分析中的應用

劉廣東，張富美，艾華寧，呂永紅

（中科華核電技術研究院，深圳518124）

SYSPIPE［1］是法國FRAMATOME公司開發的專用于核級管道系統的應力計算和分析程序，程序內部嵌套有RCC－M［2］的評定模塊，計算結果無需后處理，但其建模不方便，分析結果不直觀，目前還沒有投入商業市場。與SYSPIPE相比，ANSYS是國際通用的大型商用有限元分析軟件，使用范圍廣，計算模型和分析結果可視化，如果加入RCC－M評估模塊，則ANSYS可以替代專業的SYSPIPE對核級管道進行應力分析。

1 核級管道應力分析概述

核級管道的應力分析是確保管道在承受各種工況相關的載荷時，管道自身和與其連接的設備均不發生失效的力學分析方法，且對優化管道設計，降低經濟成本有重要的指導意義［3］。核級管道應力評定的一般步驟為：首先根據管道布置建立其分析模型，其次根據各個工況的載荷計算其對應的應力，最后采用RCC－M 2002規范對應力進行組合評定。如果應力評定結果不滿足規范要求，則需要對相應的管道布置、支撐類型或支撐位置等進行調整［4］，使應力評定結果滿足規范要求。

2 核級管道的評定準則

核級管道按照壓水堆核電廠核島機械設備設計規范RCC－M C3652中O級、A級、B級、C級和D級準則進行評定，應力需滿足RCC－M C3652中式（1）、式（2）、式（3）、式（4）。如果式（1）、式（2）滿足，則式（3）自然滿足；如果式（2）應力超標，則采用方程（3）進行評定。

式中各參數的單位為國際單位，各參數在RCC－M規范中定義如下：

P為設計壓力；D0為管道外徑；tn為公稱壁厚；MA為由永久性載荷引起的合力矩；MB為由偶然載荷產生的合力矩；Mc為熱膨脹或固定點位移產生的力矩變化范圍；Z為管道載面模量；i為0．75i≥1的應力增強系數；Sh為設計溫度下材料的基本許用應力；SA為熱膨脹許用應力變化范圍；k為許用應力系數，B級準則取1．2，

C級準則取1．8，D級準則取2．4。其中SYSPIPE程序已將評定式（1）、式（2）、式（3）、式（4）嵌套在內，可以直接調用上述評定方程進行分析評定。但由于ANSYS程序內部沒有上述評定方程，首先需要通過ANSYS計算各個管道單元在輸入載荷下的力矩，然后采用RCC－M規范C3652式（1）、式（2）、式（3）、式（4）計算管道應力進行分析評定。因而在ANSYS加入RCC－M評定子程序就可以替代專業的SYSPIPE對核級管道進行應力分析。

3 RCC－M 評定子程序算例分析

本文以大亞灣核電站2REN 316（2′）管線為例，分別利用SYSPIPE與ANSYS對該管線承受自重、內壓、熱膨脹、地震等載荷進行計算，并用自開發的RCC－M評定子程序對RCC－M規范C3652式（1）、式（2）和式（4）進行應力分析和評定，比較SYSPIPE與ANSYS的應力計算結果。

2REN 316管線材料為不銹鋼Z2CN1810，尺寸為φ60．3×5．54，其RCC－P安全等級為2級，抗震等級為1I級，規范等級為RCC－M 2級，閥門質量為20kg。管線所承受的載荷有自重、內壓、熱膨脹、地震載荷。自重計算時取重力加速度為9．8m／s2，程序根據管道單元線密度和集中質量計算重力效應。設計和運行壓力都為1．89MPa，管道內設計溫度為176℃。程序根據管道的熱膨脹系數計算膨脹位移和膨脹應力。地震響應采用模態響應譜法［5］求解，用模態組合方法求得結構各個自由度方向的最大響應，由結構的響應求出單元應力，組合方法為SRSS。

依據RCC－M規范要求，對各種工況進行組合，組合后的核二級管道應力評定準則如表1所示。

表1 RCC－M評定準則Table 1 The RCC－M criteria

3．1 采用SYSPIPE進行管道應力計算

采用SYSPIPE程序的相關規定進行建模，利用RUN單元模擬直管，ELB單元模擬彎管，VAL單元模擬閥門，閥門集中質量加載于節點上。分析載荷如表1所述。SYSPIPE建立的管道模型如圖1所示，其中1節點和17節點為固定支撐約束，6節點和14節點施加導向支撐約束。

圖1 2REN316管線SYSPIPE模型圖Fig．1 The SYSPIPE model of 2REN316pipe

模態分析后，提取前5階固有頻率如表2所示。

表2 管線結構前5階固有頻率Table 2 The fifth order natural frequencies of the pipe structure

在表1各種工況載荷作用下，管線的應力分析結果如表3所示：

表3 各種工況下的最大計算應力Table 3 The highest calculated stress in each RCC－M equation

從表3可得管線在各種工況下滿足RCCM規范要求。

3．2 采用ANSYS和RCC－M評定子程序進行

管道應力計算

在SYSPIPE中定義節點焊接類型，程序會自動按照RCCM圖C3680．1中公式計算柔性因子h，k和應力增強系數i，并將應力增強系數i賦值給節點。然而ANSYS中無RCCM圖C3680．1計算柔性因子h，k和應力增強系數i模塊，需要自編RCCM子程序計算各個節點應力增強系數，然后賦值給各個節點。

ANSYS程序內部沒有RCC－M C3652中評定方程，首先需要通過ANSYS計算各個管道單元在輸入載荷下的力矩，然后采用RCC－M規范C3652式（1）、式（2）和式（4）計算管道應力進行分析評定，以大亞灣核電站2REN 316（2′）管線為例，采用ANSYS 12．0中Piping models模塊建模，模型中采用pipe16模擬直管，pipe18模擬彎管和彎頭，valve模擬閥門。

采用ANSYS 12．0建立管道有限元模型和約束如圖2所示。

圖2 2REN316管線ANSYS模型圖Fig．2 The ANSYS model of 2REN316pipe

依據RCC－M規范要求，對各種工況進行組合，各工況載荷組合如上述表1所示。模態分析后，提取前5階固有頻率如表4。

表4 管線結構前5階固有頻率Table 4 The fifth order natural eigen frequencies of the pipe structure

通過表2和表4對比分析，SYSPIPE和ANSYS計算的前5階固有頻率相對誤差分別為1．5%、2．5%、1．5%、3．7%、0．1%，可得二者計算結果基本一致。

在表1各種工況載荷組合作用下，管線的應力分析結果如表5所示。

通過表3和表5中最大應力比值可以看出，SYSPIPE和ANSYS計算的各工況下的最大應力比值相同，可得二者計算結果一致。

在表1各種工況載荷組合作用下，管線的應力分布如圖3所示。

表5 各種工況下的最大計算應力Table 5 The highest calculated stress in each RCC－M equation

圖3 2REN316管線應力分布圖Fig．3 The stress distribution of 2REN316pipe

4 結論

本文在ANSYS中引入RCC－M子程序計算應力強度系數和RCC－M評定方程，然后以大亞灣核電站2REN316管線為例，介紹了ANSYS與SYSPIPE在核級管道應力分析中的應用。從計算結果分析可得：ANSYS與SYSPIPE采用RCC－M規范C3652式（1）、式（2）、式（4）計算的管道應力評定結果一致，二者可以相互驗證。與SYSPIPE相比，ANSYS建模方便、分析結果直觀，可以很容易找到危險點，因而ANSYS可以替代專業的SYSPIPE對核級管道進行應力分析。

［1］ FRAMATOME，SYSPIPE 234DUSER'S MANAUL［s］．2005．

［2］ AFCEN，RCC－M［S］．2002．

［3］ 唐永進．管道應力分析［M］．北京：中國石化出版社，2003．

［4］ 李笑天．核級管道的布置和應力分析［J］．核動力工程，2001．

［5］ GB 50267—1997核電廠抗震設計規范［S］．1997．