基于ANSYS的某核電站堆腔密封環(huán)結(jié)構(gòu)分析

李成武，毛飛

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233）

0 引言

在某核電廠中，反應(yīng)堆壓力容器（簡稱壓力容器）位于安全殼廠房換料水池房間內(nèi)。在反應(yīng)堆停堆換料階段，壓力容器頂蓋開蓋后換料水池房間將充滿換料水。壓力容器與換料水池底部鋼覆面之間存在著環(huán)隙，為此采用堆腔密封環(huán)為該環(huán)隙提供密封。當(dāng)換料水池充水時(shí)，該設(shè)備能夠防止水泄漏到堆腔內(nèi)。考慮到壓力容器附近輻射劑量很大，因此通過將堆腔密封環(huán)與壓力容器密封凸臺和換料水池底部鋼覆面進(jìn)行密封焊接，使其成為不可拆卸的永久密封結(jié)構(gòu)。堆腔密封環(huán)與壓力容器和換料水池底部鋼覆面之間的約束關(guān)系如圖1所示。

圖1 堆腔密封環(huán)截面圖

在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，壓力容器內(nèi)處于高溫高壓環(huán)境中。堆腔密封環(huán)與壓力容器相連的一側(cè)既要承受壓力容器帶來的高溫?zé)釕?yīng)力，又要承受壓力容器因高溫高壓產(chǎn)生的位移變形，因此堆腔密封環(huán)采用如圖1所示的由薄板組成的L形結(jié)構(gòu)。為此通過ANSYS軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，以便校核其是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

1 計(jì)算輸入

1. 1 材料參數(shù)

根據(jù)堆腔密封環(huán)的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)備采用的材料為304不銹鋼，材料的密度為8030kg/m3。根據(jù)ASME規(guī)范[1]，材料的性能參數(shù)見表1所示。

表1 304不銹鋼材料性能參數(shù)表

其中，T表示溫度，E表示彈性模量，ν表示泊松比，α表示平均熱膨脹系數(shù)，TC表示熱傳導(dǎo)系數(shù)，Sy表示屈服強(qiáng)度，Su表示抗拉強(qiáng)度，Sm表示設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度。

1. 2 工況分析

堆腔密封環(huán)所受的載荷工況有兩種：正常裝換料工況和反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況。

正常裝換料期間的載荷包括堆腔密封環(huán)的自重、換料水產(chǎn)生的靜壓以及換料期間產(chǎn)生的熱載荷；反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下的載荷包括堆腔密封環(huán)的自重、環(huán)境及壓力容器的熱載荷、壓力容器熱膨脹及其內(nèi)部壓力產(chǎn)生的位移載荷。在這兩種載荷工況中，壓力容器熱膨脹及其內(nèi)部壓力產(chǎn)生的位移載荷起主導(dǎo)作用，因此只對反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下的堆腔密封環(huán)進(jìn)行分析計(jì)算。

在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下，堆腔密封環(huán)無論是所受載荷還是幾何結(jié)構(gòu)都具有軸對稱的特點(diǎn)，因此可用軸對稱模型進(jìn)行有限元分析。

堆腔密封環(huán)不僅受到位移、重力等機(jī)械載荷，還受到熱傳導(dǎo)和熱對流等熱載荷，因此采用熱與結(jié)構(gòu)耦合的方式進(jìn)行有限元分析。

由于壓力容器受熱膨脹產(chǎn)生的位移載荷較大，因此采用考慮大變形的彈塑性方法進(jìn)行有限元分析，并按第三強(qiáng)度理論計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度。

1. 3 假設(shè)條件

假定堆腔密封環(huán)外表面（與換料水接觸面）處在大空間中，存在自然對流現(xiàn)象。

堆腔密封環(huán)內(nèi)表面（靠近壓力容器側(cè)）處于壓力容器管嘴區(qū)，是一相對密閉的空間，假定其與周圍空氣不存在熱交換，即處于絕熱狀態(tài)。

壓力容器密封凸臺的溫度保守地取一回路冷卻劑的平均溫度。

2 計(jì)算過程與結(jié)果

2. 1 位移載荷計(jì)算

位移載荷是由壓力容器受熱膨脹及內(nèi)部壓力產(chǎn)生的，包括軸向位移載荷與徑向位移載荷。軸向位移為Y方向，徑向位移為X方向。

材料熱膨脹產(chǎn)生的位移計(jì)算公式如下所示：

其中α表示材料的平均熱膨脹系數(shù)，T表示受熱后的溫度，T0表示初始溫度，L表示材料的長度。

由內(nèi)部壓力產(chǎn)生的徑向位移計(jì)算公式如下所示：

其中P表示壓力，R表示平均半徑，ν表示材料的泊松比，E表示材料的彈性模量，t表示壁厚。

由內(nèi)部壓力產(chǎn)生的軸向位移計(jì)算公式如下所示：

其中P表示壓力，R表示平均半徑，L表示長度，ν表示材料的泊松比，E表示材料的彈性模量，t表示壁厚。

壓力容器的材料為SA-508 Gr.3 Cl.1，載荷計(jì)算中所用的材料性能參數(shù)根據(jù)ASME規(guī)范[1]進(jìn)行插值計(jì)算得到。根據(jù)相關(guān)參數(shù)及公式（1）、（2）和（3）計(jì)算得到壓力容器密封凸臺焊接處總位移如下：

2. 2 熱載荷計(jì)算

堆腔密封環(huán)熱分析考慮以下兩種熱傳遞方式：壓力容器和換料水池底部鋼覆面與堆腔密封環(huán)之間的熱傳導(dǎo)；內(nèi)、外部空氣與堆腔密封環(huán)之間的熱對流。為了方便描述，將堆腔密封環(huán)軸對稱模型的邊線進(jìn)行編號，如圖2所示。

圖2 堆腔密封環(huán)軸對稱模型

（1）熱傳導(dǎo)

在圖2中，L1對應(yīng)的面與壓力容器密封凸臺焊接，L12對應(yīng)的面與水池底部鋼覆面焊接。L1的溫度保守取壓力容器密封凸臺的溫度，而L12的溫度與水池底部鋼覆面一致，保守取環(huán)境溫度。

（2）熱對流

根據(jù)第2.3節(jié)假設(shè)，L5、L6和L9面按絕熱處理，不存在熱對流。由于L2、L3、L4面與L7面相鄰，并且L2、L3、L4 面的面積相對較小，因此將 L2、L3、L4 面的對流傳熱系數(shù)近似取為與L7面相等；由于L10、L11面與L8面相鄰，并且L10、L11面的面積相對較小，因此將L10、L11面的對流傳熱系數(shù)近似取為與L8面相等。

對流傳熱系數(shù)h可按以下公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

式中，λ表示流體熱傳導(dǎo)系數(shù)；Num表示由平均對流傳熱系數(shù)組成的努塞爾數(shù)，下角標(biāo)m表示定性溫度采用邊界層的算術(shù)平均溫度tm=(t∞+tw)/2，其中t∞表示環(huán)境溫度，tw表示物體壁面溫度；l表示特征長度。

Num采用大空間自然對流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算：

式中，常數(shù)C與系數(shù)n由實(shí)驗(yàn)確定，可通過查經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表[2]獲得；Pr表示普朗特?cái)?shù)，與流體的溫度有關(guān)，可通過查表獲得；Gr表示格拉曉夫數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，g表示重力加速度；αv表示體脹系數(shù)，αv=1/(273+tm)，tm單位取℃；Δt為tw與t∞之差；l表示特征長度；υ表示流體運(yùn)動(dòng)粘度。

利用相關(guān)參數(shù)及公式（4）、（5）和（6）計(jì)算得到 hL7=8.67W/(m2×K)。

L8面是圓環(huán)面，計(jì)算該面的對流傳熱系數(shù)所用特征長度的計(jì)算公式如下：

式中，AP表示平板的換熱面積；P表示平板的周界長度。

利用相關(guān)參數(shù)及公式（4）、（5）、（6）和（7）計(jì)算得到 hL8=9.50W/(m2×K)。

2. 3 有限元模型

分析采用軸對稱有限元模型，模型見圖3。由于需進(jìn)行熱與結(jié)構(gòu)的耦合分析，故采用8節(jié)點(diǎn)具有軸對稱特點(diǎn)的耦合單元PLANE223進(jìn)行計(jì)算。在各個(gè)面上施加相應(yīng)的位移載荷與熱載荷后，進(jìn)行考慮大變形的彈塑性有限元分析。

圖3 堆腔密封環(huán)有限元模型

2. 4 計(jì)算結(jié)果

按照第三強(qiáng)度理論計(jì)算得到的堆腔密封環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度分布見圖4。從圖中可知最大應(yīng)力強(qiáng)度為257MPa，位于L形截面的水平根部位置。

圖4 堆腔密封環(huán)截面的應(yīng)力強(qiáng)度分布圖（Pa）

對該應(yīng)力按照ASME第III卷NB分卷[3]的要求進(jìn)行評定，見表2所示。

表2 堆腔密封環(huán)的應(yīng)力評定結(jié)果

從表2結(jié)果可知，堆腔密封環(huán)的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

本文分析了堆腔密封環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)所受載荷情況確定了應(yīng)力計(jì)算時(shí)對應(yīng)的載荷工況。在合理假設(shè)的條件下對堆腔密封環(huán)所受載荷進(jìn)行分析計(jì)算。載荷計(jì)算考慮了位移載荷與熱載荷兩種類型，其中位移載荷是由壓力容器熱膨脹和內(nèi)壓產(chǎn)生的，熱載荷是由壓力容器高溫引起的。利用ANSYS軟件建立堆腔密封環(huán)的軸對稱建模，并施加以上載荷進(jìn)行熱與結(jié)構(gòu)耦合的應(yīng)力分析。對應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行評定表明堆腔密封環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。