疲勞分析在核電站核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

房繼軍

【摘 要】核電站中有大量承受循環(huán)載荷的壓力容器，循環(huán)載荷作用下壓力容器的疲勞失效可產(chǎn)生災(zāi)難性后果，核電站壓力容器的疲勞分析設(shè)計(jì)越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注和重視。本文結(jié)合硼水貯存罐熱交換器的疲勞分析工作，研究并總結(jié)了ANSYS中壓力容器疲勞分析設(shè)計(jì)中的載荷分析、結(jié)構(gòu)分析、應(yīng)力分析、設(shè)計(jì)疲勞曲線(xiàn)的應(yīng)用和疲勞強(qiáng)度的校核等主要步驟。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；疲勞分析設(shè)計(jì)；交變載荷；載荷分析；結(jié)構(gòu)分析；應(yīng)力分析；強(qiáng)度評(píng)定

0 概述

容器在交變載荷作用下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的情況是非常普遍的。如：頻繁的間歇操作造成工作壓力和各種載荷的變化；正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的壓力波動(dòng)、周期性溫度變化；在正常溫度變化時(shí)，容器的膨脹或收縮受到了約束；外加的交變機(jī)械載荷等都將使容器中的應(yīng)力隨著時(shí)間呈周期性的變化。而在交變載荷作用下壓力容器受壓部件中的焊接接頭附近、結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位以及開(kāi)孔接管等區(qū)域常常會(huì)產(chǎn)生的局部峰值應(yīng)力可以達(dá)到容器總體薄膜應(yīng)力的2～6倍。在其反復(fù)作用下，會(huì)使材料晶粒間發(fā)生滑移和錯(cuò)位，逐漸形成微裂紋，隨著載荷的不斷循環(huán)，裂紋也不斷擴(kuò)展，進(jìn)而形成宏觀(guān)疲勞裂紋貫穿整個(gè)壁厚，最終導(dǎo)致容器發(fā)生疲勞失效事故。

通過(guò)對(duì)規(guī)范的研究及對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，總結(jié)出疲勞分析的基本步驟和注意事項(xiàng)概述如下：

1）載荷分析

載荷分析中收集設(shè)備受到的載荷譜，明確設(shè)計(jì)條件。載荷分析中要注意設(shè)備壽期內(nèi)可能發(fā)生的一切載荷及其發(fā)生次數(shù)的數(shù)據(jù)。

2）結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是針對(duì)容器的局部區(qū)域進(jìn)行的，原則上容器的所有幾何不連續(xù)點(diǎn)和承受局部載荷的元件都應(yīng)作為分析部位，根據(jù)部位的結(jié)構(gòu)形式和載荷形式建立相應(yīng)的力學(xué)模型。

3）應(yīng)力分析

應(yīng)力分析是為了確定在規(guī)定載荷作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、所選擇的應(yīng)力評(píng)定點(diǎn)或截面的應(yīng)力分布及最大值和最小值、元件內(nèi)所考慮的應(yīng)力隨時(shí)間變化，以此為基礎(chǔ)確定交變應(yīng)力強(qiáng)度幅 。

4）設(shè)計(jì)疲勞曲線(xiàn)的應(yīng)用

5）疲勞強(qiáng)度的校核

強(qiáng)度評(píng)定是針對(duì)局部點(diǎn)進(jìn)行的，根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。

硼水貯存罐熱交換器是按照RCC-M設(shè)計(jì)的，下面就以該熱交換器的疲勞分析為例談?wù)勂诜治鲈O(shè)計(jì)的主要步驟。

熱交換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硼水貯存箱熱交換器管束、管板、管側(cè)殼側(cè)筒體、封頭和接管材料為00Cr19Ni10（Z2CN1810），詳見(jiàn)表2。

表1 熱交換器的總體設(shè)計(jì)條件

表2 00Cr19Ni10的材料及力學(xué)性能

考慮的載荷有：

運(yùn)行壓力：殼側(cè)入口0～0.25MPa，管側(cè)入口0～0.3MPa；

運(yùn)行溫度：殼側(cè)入口100～138℃，管側(cè)入口70～85℃；

管側(cè)入口接管載荷：軸力11.67KN，彎矩6.78KNm；

管側(cè)出口接管載荷：軸力7.95KN，彎矩4.62KNm；

殼側(cè)入口接管載荷：軸力11.99KN，彎矩3.48KNm；

殼側(cè)入口接管載荷：軸力5.01KN，彎矩1.05KNm；

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)壓力和溫度工況進(jìn)行包絡(luò)。根據(jù)RCC-M C 3112，循環(huán)次數(shù)為三條瞬態(tài)曲線(xiàn)循環(huán)次數(shù)之和：

（12000+40+40）*0.05+（12000+40+40）*5=61004>10000次。

再根據(jù)RCC-M C 3214.2循環(huán)次數(shù)為三條瞬態(tài)曲線(xiàn)循環(huán)次數(shù)之和：

（12000+40+40）*1+（12000+40+40）*1+（12000+40+40）*4=72480>1000次。

殼側(cè)入口變化如下：20℃—138℃—20℃。

管側(cè)入口變化如下：20℃—70℃—75℃—20℃。

1 疲勞曲線(xiàn)

瞬態(tài)工況取自JNK的疲勞曲線(xiàn)，詳見(jiàn)圖2。

2 模型和計(jì)算方法

2.1 模型描述

疲勞分析模型采用實(shí)體單元建模，包括管側(cè)筒體、管板、殼側(cè)筒體以及殼側(cè)入口接管部分，建立1/2模型進(jìn)行計(jì)算。熱分析采用SOLID70單元，熱分析各位置的對(duì)流換熱系數(shù)按照堆工專(zhuān)業(yè)提供的硼水貯存箱熱交換器對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果中相應(yīng)位置最保守?cái)?shù)值施加，溫度按照第二節(jié)包絡(luò)溫度施加；結(jié)構(gòu)分析采用SOLID185單元，在管側(cè)筒體邊緣處采用固定約束，1/2模型分割面施加對(duì)稱(chēng)（反對(duì)稱(chēng)）約束。需要計(jì)算溫度載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)力，接管載荷下的應(yīng)力，內(nèi)壓下的應(yīng)力。詳見(jiàn)附圖。

圖2 熱交換器瞬態(tài)工況曲線(xiàn)

2.2 計(jì)算方法

根據(jù)第2節(jié)，設(shè)備運(yùn)行瞬態(tài)曲線(xiàn)為3條，對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)，進(jìn)行分析。

（1）溫度采用最大溫度和最小溫度之間的階躍變化；

（2）壓力采用最大壓力和最小壓力作為變化幅；

（3）接管載荷考慮為最危險(xiǎn)加載方式下與0應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力幅的1.5倍；

（4）地震載荷考慮OBE載荷，保守取瞬態(tài)有效循環(huán)次數(shù)400次進(jìn)行組合。

總的應(yīng)力幅為四中載荷條件下計(jì)算結(jié)果的疊加。

3 主要應(yīng)力分析結(jié)果與評(píng)定

3.1 接管載荷彎矩加載為Mx時(shí)疲勞評(píng)定結(jié)果

評(píng)定路徑見(jiàn)附圖。共84個(gè)路徑（詳見(jiàn)附錄A.1）。

R1為溫度沿壁厚線(xiàn)性變化的熱棘輪結(jié)果，最大值為0.081，發(fā)生在位置95。

R2為溫度沿壁厚拋物線(xiàn)變化的熱棘輪結(jié)果，最大值為0.36，發(fā)生在位置95。

使用因子均小于1，最大使用因子為0.289，發(fā)生在位置12。

3Sm=345MPa，Sn均小于3Sm，最大Sn為316.5，發(fā)生在位置95。

3.2 接管載荷彎矩加載為Mz時(shí)疲勞評(píng)定結(jié)果

評(píng)定路徑見(jiàn)附圖。共84個(gè)路徑（詳見(jiàn)附錄A.2）。

R1為溫度沿壁厚線(xiàn)性變化的熱棘輪結(jié)果，最大值為0.081，發(fā)生在位置95。

R2為溫度沿壁厚拋物線(xiàn)變化的熱棘輪結(jié)果，最大值為0.36，發(fā)生在位置95。

使用因子均小于1，最大使用因子為0.307，發(fā)生在位置142。

3Sm=345MPa，Sn均小于3Sm，最大Sn為319.4，發(fā)生在位置101。

4 結(jié)論

分析結(jié)果表明硼水貯存箱熱交換器現(xiàn)有設(shè)計(jì)滿(mǎn)足RCC-M規(guī)范的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于疲勞強(qiáng)度問(wèn)題引起的壓力容器的破壞已不鮮見(jiàn)，故不能等閑視之。為確保壓力容器的安全運(yùn)行，本文結(jié)合工程實(shí)例，細(xì)致地講述了疲勞分析的在核電站核承壓設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程，為壓力容器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]