反應堆堆芯支承下板結構完整性評定

高永建

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

0 引言

反應堆堆內構件是指反應堆壓力容器內除燃料組件及其相關組件、堆芯測量儀表和輻照監督管以外所有的堆芯支承結構和內部結構。其用途是為堆芯部件提供支承、對中和導向，引導冷卻劑流入和流出，為堆內測量儀表提供導向和支承，是壓水堆核電廠的重要設備之一[1-4]。

堆芯支承下板(Lower Core Support Plate,LCSP)是堆內構件中一個重要的堆芯支承結構。LCSP與堆芯圍筒(Core Barrel,CB) 之間通過4個銷釘和12個螺栓連接，LCSP通過這些銷釘與螺栓實現對圍筒的定位和支承作用。渦流抑制板和二次堆芯支承結構安裝于LCSP的底部。LCSP起到保持燃料組件與控制棒驅動機構對中的作用，還可有效引導與控制流向燃料組件的水流。

根據ASME鍋爐與壓力容器規范第Ⅲ卷NG分卷(以下簡稱ASME -BPVC-Ⅲ-NG)的規定，LCSP屬于堆芯支承結構，需要對其進行各使用限制下的結構完整性評定[5-9]。

1 分析方法

基于有限元方法，利用ANSYS建立LCSP及其連接部件的有限元模型，通過靜力分析、瞬態溫度場分析和瞬態熱應力計算，得到機械載荷和熱載荷作用下的應力分布，再根據ASME-BPVC-Ⅲ-NG開展對LCSP的結構完整性評定[5-9]。

由于設計使用限制下的一次應力評定可被A/B級使用限制包絡，故不單獨評定。對于A/B級使用限制，在失效可能性較大的位置選定評定截面，首先對一次薄膜應力和一次薄膜加彎曲應力進行評定，分別考慮冷態零流量(Cold Zero Flow,CZF)、機械設計流量(Mechanical Design Flow,MDF)和熱態泵超速(Hot Pump Overspeed,HPO)工況；其次對A/B級使用限制下的一次加二次應力強度作出評定；最后對A/B級使用限制下的疲勞累積因子作出評定。

對堆內構件而言，C級使用限制(針對危急工況)主要考慮小失水載荷，而D級使用限制(針對事故工況)不但要考慮大失水載荷,還要考慮SSE地震載荷(該數值和大失水載荷同一量級)，所以事故工況載荷至少是危急工況載荷的2倍，而D級使用限制卻不到C級使用限制的2倍。由此可知，應力評定時D級使用限制可包絡C級使用限制(高強度螺栓除外)。

2 有限元模型

2.1 幾何結構和材料

根據結構和載荷對稱性，取LCSP及其連接部件的1/8模型作為有限元幾何模型，如圖1所示，其中包括LCSP、堆芯圍筒、吊籃筒體和人孔板。

圖1 LCSP及其連接部件(1/8模型)示意

表1 304類和304H類不銹鋼材料性能

LCSP的材料為SA-336 304H，堆芯圍筒的材料為SA-240 304，吊籃筒體的材料為SA-240 304，人孔板的材料為SA-182 304H。根據ASME鍋爐與壓力容器第Ⅱ卷D分篇 (以下簡稱為ASME-BPVC-Ⅱ-D)，可查得材料性能如表1所示。人孔板螺釘和燃料組件定位銷的材料為SA-193 Gr.B8M Cl.2。奧氏體不銹鋼的設計疲勞曲線數據如表2所示。

表2 奧氏體不銹鋼設計疲勞曲線數據

2.2 有限元模型

有限元模型如圖2所示。由于LCSP和人孔板連接處的孔橋壁厚較薄，為關注的重點，故此區域的網格劃分相對細密。溫度場計算時，網格采用Solid 90單元。熱應力計算時對單元進行轉換，采用Solid 186單元。有限元模型的邊界條件如圖3所示，在吊籃頂部對其垂直方向上的位移進行約束，在對稱面上定義對稱約束。

圖2 有限元模型

圖3 邊界條件

模型的接觸區域采用接觸單元Conta 174和目標單元Targe 170來進行模擬。溫度場計算時，所有接觸面都設置為綁定接觸，并消除初始間隙和干涉。熱應力計算時，將圍筒底板與LCSP的接觸定義為不分離、可滑動的接觸條件；在人孔板與LCSP的接觸面上，將其中的水平臺階面定義為不分離、可滑動的接觸條件，將其余豎直向的接觸面定義為可分離的接觸條件。

3 載荷

3.1 熱載荷

模型中熱載荷主要有兩種：熱瞬態載荷和伽馬發熱率載荷。對于熱瞬態載荷，首先對正常/異常工況下的反應堆冷卻劑系統(RCS)設計瞬態進行包絡分組，根據瞬態組中的各個設計瞬態擬合出瞬態包絡曲線，以此瞬態包絡曲線的時程參數作為計算輸入。滿功率條件下模型的伽馬發熱率載荷分布如圖4所示。

圖4 滿功率條件下模型發熱率分布

對流換熱系數分為5個區域進行施加，其定義見表3，其中前4個為強制對流，最后1個為自然對流。對流換熱系數相關的計算方程如下。

雷諾(Reynolds)數：Re(u,D,i)=ρiuD/μi

格拉曉夫(Grashof)數：

Gr(dT,L,i)=gβidTL3/(μi/ρi)2

管道內強制對流換熱努塞爾(Nusselt)數：

Nufc(n,Re,Pr)=0.023Re4/5Prn

豎直平板自然對流努塞爾數：

對流換熱系數：h=Nuk/L

式中，ρi為冷卻劑的密度(溫度相關)；u為流速;D為水力直徑;μi為動力黏度(溫度相關);βi為熱膨脹系數(溫度相關);L為特征長度;Pr為普朗特(Prandtl)數。

通過計算，得到各區域內在全流量下的對流換熱系數，見表3。在實際計算時，每一時刻的換熱系數按瞬時流量與全流量之比的0.8次方折減。

表3 有限元模型各區域對流換熱系數

3.2 機械載荷

作用于LCSP上的機械載荷包括：自重、浮力、水力載荷(壓降、水力提升力)、燃料組件載荷、地震(SSE)載荷和失水(LOCA)載荷。

(1)自重和浮力。

作用于LCSP的自重載荷有LCSP本身、圍筒、二次支承結構和燃料組件的自重。考慮浮力后的自重與干重的比值(R)可用以下公式計算：

R=(ρs-ρw) /ρs

式中，ρw為水的密度；ρs為鋼的密度。

對自重和浮力的模擬，采用自重乘以比值R的方式等效模擬。

(2)水力載荷。

模型各部件在機械設計流量(MDF)和熱態泵超速(HPO)工況下的壓降載荷、水力提升力載荷見表4。

表4 壓降載荷、水力提升力載荷

(3)燃料組件載荷。

作用于LCSP上的燃料組件載荷的方向為豎直向下，該載荷是由燃料組件的干重、壓緊彈簧力、浮力、水力提升力和曳力引起的，作用于圍筒內部的LCSP上表面。分析時考慮冷態零流量(CZF)和HPO工況下的燃料組件載荷，分別對應向下最大載荷和向上最大載荷。

(4)SSE和LOCA載荷。

通過堆內構件地震分析可得到LCSP在SSE下的最大豎向絕對加速度2.18g；通過堆內構件失水分析可得到LCSP在LOCA下的最大豎向絕對加速度1.00g。SSE和LOCA下的絕對加速度經“平方和的平方根”(SRSS)處理后得到合成加速度2.40g，分析時將此加速度載荷施加于模型上。另外，燃料組件和二次支承結構質量乘以相應的加速度，得到的作用力分別加載于LCSP的上表面和下表面。

4 分析與評定

4.1 一次應力強度評定

對于A/B級使用限制，分別考慮CZF和HPO工況，通過計算和評定，發現CZF工況更為極限，表5列出CZF工況的一次應力評定結果。

表5 A/B級使用限制下一次應力評定(CZF工況)

1)比值為計算值與限值之比，下同。

對于D級使用限制，分別考慮CZF和MDF工況，通過計算和評定，發現MDF工況更為極限，表6列出了MDF工況的一次應力評定結果。

應力評定截面見圖5。

表6 D級使用限制下一次應力評定(SSE+LOCA+MDF工況)

圖5 應力評定截面

4.2 一次加二次應力強度評定

表7 一次加二次應力強度范圍評定

1)平均溫度取兩個配對瞬態時刻溫度的平均值; 2)Sm取平均溫度下的設計應力強度。

通過計算，A/B級使用限制下一次加二次應力強度范圍(P+Q)r及評定匯總見表7?？梢钥闯?，截面1內壁，截面5內壁的(P+Q)r超過3Sm的限值，依據ASME-BPVC-Ⅲ-NG-3228.3進行簡化彈塑性分析。

NG-3228.3規定：若滿足下列(1)～(6)的各點要求，則一次加二次應力強度范圍可超過3Sm的限值。

(1)一次加二次的薄膜加彎曲應力強度(不包括熱彎曲應力)的范圍應≤3Sm。

表8 一次加二次應力強度(不包括熱彎曲應力)范圍評定

1)此值取自于圖6所示5條路徑的平均值；2)NA表示不適用。

圖6 截面1對應的5條等效路徑

表8所示為一次加二次應力強度(不包括熱彎曲應力)范圍及評定，滿足要求。

(2)系數Ke。

疲勞計算時需要在疲勞設計曲線所列的Sa值乘以懲罰因子Ke，該因子已經在ANSYS疲勞模塊中考慮。懲罰因子Ke值所列如下：

Ke=1.0 (當Sn≤3Sm時)

(當3Sm

Ke=1/n(當Sn≥3mSm時)

(3)疲勞評定按NG-3222.4進行，且無需考慮NG-3227.6。

(4)LCSP不承受內壓作用，不存在熱棘輪失效的可能性。

(5) 根據NG-3228.3，304不銹鋼材料的Tmax=425 ℃，根據溫度場分析，LCSP在溫度載荷和發熱率載荷作用下的最高溫度不會高于425 ℃，滿足要求。

(6)304不銹鋼材料的最小屈服強度Sy=123 MPa(350 ℃)，最小抗拉強度為Su=437 MPa(350 ℃)，Sy/Su=0.28<0.80，滿足要求。

4.3 疲勞評定

疲勞分析的計算過程與一次加二次應力強度的計算過程相似，不同的是在評定位置處采用總應力強度(一次加二次應力加峰值應力)進行計算，A/B級使用限制下的疲勞評定匯總見表9。

表9 累積疲勞使用因子

5 結語

本文應用ANSYS有限元軟件建立堆芯支承下板及其連接部件的三維有限元模型，通過靜力分析、瞬態溫度場分析和瞬態熱應力計算，分別得到機械和熱載荷作用下的應力分布，最后根據ASME B&PVC第Ⅲ卷NG分卷開展對堆芯支承下板的結構完整性評定。本文的堆芯支承下板結構完整性分析評定方法可為其他類似反應堆支承結構分析提供參考。