核電站設(shè)備閘門外壓密封性失效分析

李洋

中核遼寧核電有限公司 遼寧葫蘆島 125112

核電站的總體安全目標(biāo)是建立一個保持對放射性危害的有效防御體系。三代核電站鋼制安全殼是能夠包含放射性物質(zhì)的最后一道屏障，所以說，它對核電站的安全有著非常重要的影響。設(shè)備閘門是三代核電站鋼制安全殼最大的開口，所以它的密封對遏制放射性物質(zhì)泄漏具有重要意義。

1 核電站設(shè)備閘門外壓密封性的概述

根據(jù)有關(guān)設(shè)備門承載力計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)記載，密封性失效的主要原因是球殼的外部壓力失穩(wěn)，根據(jù)實(shí)際規(guī)范的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知，在事故條件下，設(shè)備門是安全殼上方最薄弱的環(huán)節(jié)。對承壓能力的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行一個詳細(xì)的分析，研究設(shè)備門在壓力荷載作用下的力學(xué)行為。三代核電站設(shè)備閘門主要由加筋板、貫通件、閘門頭等附屬結(jié)構(gòu)組成。閘板通過36-27mm直徑的活動接頭螺栓連接貫通件，這說明閘板在實(shí)際運(yùn)用的過程中非常簡單，在穿透零件的端面上有兩個凹槽，其內(nèi)部設(shè)置有橡膠形圈，在閘首端面形成密封面。

2 核電站設(shè)備閘門外壓密封性失效的危害

在事故工況下，設(shè)備閘門結(jié)構(gòu)主要承受壓力荷載，承壓部件包括加筋板、簡單貫通件、閘首(包括簡潔球面)及其連接面(包括接頭螺栓、0環(huán))。面板主要承受內(nèi)部壓力，射孔部件和澆口都比較簡單。在許多設(shè)備閘門的分析文件資料中，都沒有在外壓條件下對法蘭密封進(jìn)行檢驗(yàn)的相關(guān)記載。這個原因可以進(jìn)行直觀解釋的：當(dāng)閘板處于外部壓力下時，密封面容易受壓，所以法蘭表面不會被分離，不會有密封損失。這樣的分析表面上看來是合理的，但事實(shí)表明實(shí)際原因并不是這樣的。在內(nèi)部壓力的作用下出現(xiàn)的安全事故，有一種傾向在簡單精確的變形過程，表面和端面也會形成一個固定的形狀。因?yàn)樾钏昂烷l門的頭部是軸對稱的結(jié)構(gòu)，變形往往是形成一個四邊形，而不會形成一個橢圓。在外部壓力的作用下，端面變形也應(yīng)該具有輔助對稱的特點(diǎn)，它們之間的變形差異對密封構(gòu)成了威脅。軸向變形的差異使得端面形狀不匹配，突出位置壓縮力大，凹陷壓縮力小，可能出現(xiàn)分離和泄湖現(xiàn)象。徑向變形的差異可能導(dǎo)致法蘭表面產(chǎn)生徑向位移，當(dāng)徑向位移較大時，結(jié)合法蘭表面的分離，墊圈會磨損，也可能造成更大的密封損失。因此，入口面對核電站的安全構(gòu)成了威脅。

3 分析模型建立與分析步驟

3.1 模型建立考慮到以下因素

在建立模型的時候具有一個比較大的空間尺度跨度，在實(shí)際過程中運(yùn)用最多的就是利用子模型技術(shù)進(jìn)行建模。首先應(yīng)該建立一個比較粗略的整體模型，經(jīng)過計(jì)算可以得到一個具有邊界位移的局部模型，相關(guān)工作人員再對這個粗略的模型進(jìn)行一個精細(xì)的制作，通過分析其非線性特點(diǎn)，利用整片單元模擬的相關(guān)方法來進(jìn)行一個整體的整修，這樣能夠有效節(jié)約計(jì)算資源。相關(guān)工作人員在進(jìn)行活節(jié)螺栓建模的過程中應(yīng)該利用比較柔軟的單元來進(jìn)行建?；顒印６诨罟?jié)螺栓與螺栓之間的連接應(yīng)該建立一個相對剛性的區(qū)域來獲得實(shí)際所需的模型。在已劃分網(wǎng)格的單元上創(chuàng)建螺栓預(yù)緊單元，模擬螺栓預(yù)緊工況，這樣能得到一個準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。

3.2 模擬過程

在進(jìn)行實(shí)際模擬的過程中，首先應(yīng)該利用殼單元建立一個整體的模型，在整體位置的最佳部位建立一個實(shí)體局部的精細(xì)模型，在嵌板的位置上對位移邊界進(jìn)行一個有效的切割，將實(shí)際產(chǎn)生的切割邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行列表操作，并且精確地計(jì)算出整體模型，然后根據(jù)計(jì)算計(jì)算對實(shí)際生成的邊界節(jié)點(diǎn)的位置上進(jìn)行插值位移操作。其次，進(jìn)行局部模型的計(jì)算，這個過程可以分為三個步驟:第一是要對螺栓施加一定的預(yù)緊力；第二是將這個預(yù)緊力轉(zhuǎn)化成一個一個有效的位移荷載；第三是對整體模型施加一個合理的位移邊界條件，對整個過程進(jìn)行一個有效的分析。最后這個過程所得出的結(jié)果進(jìn)行合理分析。

3.3 預(yù)緊工況的概述

相關(guān)工作人員應(yīng)該對實(shí)際所需要墊片厚度位移方向的變化進(jìn)行一個合理有效的記錄，根據(jù)實(shí)際情況可以得出，墊片的最大變形量應(yīng)該是0.0348mm，最小的變形量應(yīng)該是0.00445mm。這里所說的變形量的正值所表示的意思是墊片的回彈，在進(jìn)行模擬的過程中，先假設(shè)兩個法蘭面是相互接觸的，然后再將2mm的墊片預(yù)壓量設(shè)置在一個合理的范圍內(nèi)。相關(guān)工作人員再對實(shí)際的結(jié)果進(jìn)行一定分析可以得出以下結(jié)論:三代核電站設(shè)備閘門的法蘭面在預(yù)緊工況中所使用墊片的法蘭面位置并沒有接觸。它們之間存在障礙的主要原因是螺栓在荷載的作用下，能夠繞法蘭面的外側(cè)支點(diǎn)進(jìn)行一個轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生出的位移能夠造成這種現(xiàn)象。法蘭面在受到很大的變形波之后，由于螺栓預(yù)緊力的作用使得簡體都繞支撐點(diǎn)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)位移，從而導(dǎo)致密封整片處產(chǎn)生間隙。

4 結(jié)語

綜上所述，在法蘭預(yù)緊的情況下，閘門受到事故工況壓力的影響，它會趨向于橢圓變形，并且在一定角度之下出現(xiàn)在一定的分離趨勢。三代核電站設(shè)備閘門在預(yù)緊和事故壓力作用下，墊片位置法蘭面存在間隙，在上文提到的情況下，墊片產(chǎn)生的變形值為正值。預(yù)壓縮量為密封提供充足的空間，這是金屬對金屬接觸的法蘭都可能存在的問題。