屏蔽主泵貧鈾飛輪完整性分析

張貴濱，張振禹

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屏蔽主泵貧鈾飛輪完整性分析

張貴濱1,2，張振禹1,2

（1.黑龍江省核主泵工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150066；2. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150066）

為避免反應(yīng)堆緊急停堆或斷電事故中堆芯損壞，需要在屏蔽主泵電機(jī)上安裝儲(chǔ)能飛輪，為使其在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，屏蔽主泵飛輪材料采用高密度貧鈾合金金屬材料。本文主要對(duì)貧鈾飛輪的完整性進(jìn)行了研究，從應(yīng)力強(qiáng)度和斷裂力學(xué)兩方面對(duì)貧鈾飛輪進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)和額定轉(zhuǎn)速下飛輪的應(yīng)力強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度因子滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，并通過(guò)解析分析結(jié)果與有限元分析結(jié)果的對(duì)比表明應(yīng)力分析結(jié)果合理可信。

主泵屏蔽電機(jī)；貧鈾飛輪；應(yīng)力強(qiáng)度；斷裂力學(xué)

0 前言

反應(yīng)堆冷卻劑泵是壓水堆核電站一回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要功能是驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑在一回路系統(tǒng)中循環(huán)，將堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸發(fā)器二次側(cè)，是有效調(diào)整反應(yīng)堆溫度、保證反應(yīng)堆安全的重要設(shè)備[1,2]。為了確保反應(yīng)堆緊急停堆或全廠斷電事故等工況下堆芯的安全，要求主泵具有足夠的惰轉(zhuǎn)時(shí)間，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)，冷卻堆芯，需要在屏蔽主泵電機(jī)軸上安裝大慣量的飛輪，以保證反應(yīng)堆停堆后主泵具有足夠的惰轉(zhuǎn)能力，保證反應(yīng)堆的安全[3]。

飛輪是主泵重要的功能部件之一，屬于核安全相關(guān)部件，為了確保飛輪能夠在高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)期運(yùn)行，需要對(duì)飛輪結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行分析[4]。本文分別采用解析計(jì)算方法與有限元計(jì)算方法對(duì)飛輪的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，證明了方法的正確性和可行性，并依據(jù)法規(guī)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判定[5～8]，以確保飛輪結(jié)構(gòu)的完整性。

1 飛輪結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 飛輪結(jié)構(gòu)

屏蔽主泵飛輪位于承壓邊界內(nèi)，整體浸漬在高溫高壓的水中。主泵運(yùn)行時(shí)大直徑的飛輪會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦損耗使機(jī)組效率降低并使主泵機(jī)組的整體尺寸變大，而小直徑的飛輪又無(wú)法滿足機(jī)組所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求[9]。為降低主泵機(jī)組的整體尺寸，以及提高機(jī)組使用效率，屏蔽主泵飛輪材料采用高密度貧鈾合金金屬材料能使其在有限的空間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量達(dá)到最大，該種材料密度約為18.5g/cm3。屏蔽主泵貧鈾飛輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由貧鈾盤、輪轂、鍵、側(cè)蓋板和外殼組成。貧鈾盤采用圓環(huán)結(jié)構(gòu)，為方便進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，貧鈾飛輪由9個(gè)等厚的貧鈾盤疊壓而成，采用平鍵進(jìn)行定位。貧鈾盤與輪轂之間采用過(guò)盈連接：在飛輪兩個(gè)端面及外表面分別設(shè)置不銹鋼蓋板及屏蔽外殼，與飛輪輪轂構(gòu)成封閉腔體，避免貧鈾合金受到反應(yīng)堆冷卻劑的腐蝕。

圖1 屏蔽主泵貧鈾飛輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 飛輪材料特性

表1飛輪材料特性

輪轂貧鈾盤 Sy/MPa245400 Su/MPa465670 ρ/（g/cm3）7.7518.5 E/MPa2.05×105 1.6×105 v0.30.3

注：材料特性中屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均為設(shè)計(jì)溫度下的材料特性參數(shù)。

1.3 飛輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[10,11]

飛輪完整性分析包括應(yīng)力強(qiáng)度分析和斷裂力學(xué)分析。應(yīng)力強(qiáng)度分析包括在額定轉(zhuǎn)速（1500r/min）下，飛輪一次應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最小屈服強(qiáng)度的1/3；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速（1875r/min）下，飛輪一次應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最小屈服強(qiáng)度的2/3。斷裂力學(xué)分析是飛輪在有最大假想裂紋的工況下，判斷高應(yīng)力區(qū)裂紋處的應(yīng)力強(qiáng)度因子是否小于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

2 飛輪應(yīng)力分析

2.1 飛輪應(yīng)力強(qiáng)度解析法分析

2.1.1 飛輪分析模型

飛輪應(yīng)力強(qiáng)度解析法采用沿軸橫截面建立的軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，如圖2所示，r1，r2分別為輪轂的內(nèi)外徑；r3為貧鈾盤外徑。

2.1.2 飛輪貧鈾盤應(yīng)力強(qiáng)度解析分析

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速工況下，貧鈾盤自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和外部壓力綜合作用下產(chǎn)生的平均環(huán)向應(yīng)力：

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式[12]：

額定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式[12]：

圖2 貧鈾飛輪軸對(duì)稱分析模型

2.1.3 飛輪輪轂應(yīng)力強(qiáng)度解析分析

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速工況下，輪轂自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力產(chǎn)生的平均環(huán)向應(yīng)力：

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式[12]：

額定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式[12]：

2.1.4 應(yīng)力強(qiáng)度解析法分析結(jié)果

按照上述分析計(jì)算方法對(duì)飛輪貧鈾盤及輪轂在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 飛輪一次應(yīng)力解析分析結(jié)果

2.2 飛輪應(yīng)力強(qiáng)度有限元法分析

采用有限元分析程序ANSYS 14.5對(duì)貧鈾飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，主要計(jì)算了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速工況下貧鈾盤和輪轂的應(yīng)力。

2.2.1 飛輪有限元分析模型

在建立模型的過(guò)程中各部件均采用實(shí)體模型，網(wǎng)格由六面體單元（SOLID186）組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)及其載荷的對(duì)稱性，模型取整體軸向結(jié)構(gòu)的1/9進(jìn)行分析，計(jì)算模型如圖4、圖5所示。

圖4 貧鈾盤有限元分析模型

圖5 輪轂有限元分析模型

2.2.2 應(yīng)力強(qiáng)度有限元分析結(jié)果

利用有限元分析軟件對(duì)飛輪貧鈾盤及輪轂在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下貧鈾盤和輪轂的應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖6和圖7所示，結(jié)果見表3。

圖6 貧鈾盤有限元分析結(jié)果

圖7 輪轂有限元分析結(jié)果

表3 飛輪一次應(yīng)力有限元分析結(jié)果

3 飛輪應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比與評(píng)定

分別采用解析分析方法與有限元分析方法計(jì)算了飛輪貧鈾盤與輪轂在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速工況下的一次應(yīng)力，并依據(jù)飛輪應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)果證明飛輪一次應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)對(duì)解析分析方法與有限元分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果基本一致，證明了兩種方法的可行性。飛輪應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比與評(píng)定見表4。

表4 飛輪應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比與評(píng)定 單位：MPa

方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況額定轉(zhuǎn)速工況 貧鈾盤一次應(yīng)力輪轂一次應(yīng)力貧鈾盤一次應(yīng)力輪轂一次應(yīng)力 計(jì)算值限值評(píng)定計(jì)算值限值評(píng)定計(jì)算值限值評(píng)定計(jì)算值限值評(píng)定 有限元法130266.6合格1581.6合格78133.3合格9.8163.2合格 解析法132.5266.6合格15.581.6合格78.8133.3合格9.9163.2合格 誤差%1.93.311

4 飛輪斷裂力學(xué)分析

根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)分析原理，首先假定在飛輪最危險(xiǎn)部位存在一個(gè)最大的假想裂紋，并計(jì)算該部位的應(yīng)力強(qiáng)度因子,然后將值與臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子相比較，判斷是否能防止延性斷裂。

4.1 裂紋的位置和大小

最大假想缺陷為垂直于最大應(yīng)力方向（縱向）的尖銳表面缺陷。對(duì)于貧鈾盤鍵槽處的環(huán)向拉應(yīng)力是最大的，為305MPa，因此假設(shè)裂紋的位置在鍵槽的應(yīng)力最大點(diǎn)位置?，F(xiàn)按飛輪內(nèi)圓存在一個(gè)橢圓形表面裂紋進(jìn)行計(jì)算，初始裂紋尺寸取為預(yù)期漏檢缺陷的最大尺寸i=1.6mm。

4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算[14～15]

將計(jì)算對(duì)象簡(jiǎn)化成半無(wú)限大體具有表面半橢圓形片狀裂紋的計(jì)算模型，其應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式為：

式中E()是以為參數(shù)的第二類完整橢圓積分

式中：a——半橢圓裂紋的短半軸；

C——半橢圓裂紋的長(zhǎng)半軸。

當(dāng)<<時(shí)，/0，有=1(相當(dāng)于單邊貫穿裂紋)

應(yīng)力強(qiáng)度因子

5 結(jié)論

本文對(duì)貧鈾飛輪結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行了分析，包括應(yīng)力強(qiáng)度分析和斷裂力學(xué)分析，得到以下結(jié)論：

（1）在應(yīng)力強(qiáng)度分析中采用解析分析方法和有限元分析方法計(jì)算了貧鈾飛輪貧鈾盤及輪轂在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力，一次應(yīng)力值均小于設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的應(yīng)力限值，滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

（2）將解析法分析結(jié)果與有限元法分析結(jié)果對(duì)比，得出兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致的結(jié)論，證明飛輪一次應(yīng)力分析結(jié)果是合理可信的。

（3）斷裂力學(xué)分析是在貧鈾盤鍵槽位置假想有一個(gè)橢圓形表面裂紋，計(jì)算該部位的應(yīng)力強(qiáng)度因子，小于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子,并有一定的余量。

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Integrity Analysis on Depleted Uranium Flywheel of the Shield-Pump

ZHANG Guibin, ZHANG Zhenyu

(1. Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province;2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd.，Harbin150066, China)

To avoid damage of reactor core in scram of the reactor or the event of loss of motive power,the flywheels have to be mounted on canned-motor pump to store potential energy mechanically. Simultaneously, shied pump flywheel is made out of a heavy depleted uranium alloy, which has higher inertia in confined space. The integrity analysis of depleted uranium flywheel is concerned in the aspects of structure strength and fracture mechanics. The analysis results show that the stress and fracture ductility are both satisfactory to the requirements of regulations under the rated speed as well as the design speed. It can be concluded that the result is credible due to the consistency between the results of analytical method and finite element method.

pump canned-motor; depleted uranium flywheel; stress intensity; fracture mechanics

TM343

A

1000-3983(2017)02-0047-04

2016-10-13

張貴濱（1981-），男，2005年畢業(yè)于吉林大學(xué)機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事核主泵、大中型交直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方面的工作，工程師。

審稿人：李志和