ASME-NB規范級容器的應力分析探討

劉偉東，付 濤，袁 寧，元世海，季敏東

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

美國ASME規范是現今世界公認的技術內容最完整、技術最先進、應用最廣泛的動力鍋爐及壓力容器綜合標準體系。包括了從設計、材料、制造和檢驗、在役檢查等非常全面的動力鍋爐及壓力容器建造內容。ASME規范第Ⅲ卷為專門針對核安全設施部件建造所編制的規范。所涉及的技術、理論是非常復雜，但卻又是技術、理論最先進的。眾所周知，核安全設備若出現設計問題，其對公眾、環境、經濟、社會的影響是無法估量的。本文以某核1級壓力容器設備為例，對按ASME規范2019版第Ⅲ卷NB分卷設計的容器的應力分析進行深入的闡述，目的在于能給核安全設備設計者提供一些參考。

1 某核1級容器簡介

1.1 容器概述

該容器用于存放具有強放射性的介質，其結構并不復雜，主要部件為左右封頭、筒體、4件接管及人孔組件，通過雙鞍座支承，一個為滑動鞍座，一個為固定鞍座(見圖1)。設備筒體、封頭名義厚度均為26 mm，鞍座墊板厚度為26 mm，鞍座其余零部件厚度均為16 mm，封頭、筒體、鞍座的材料均為SA-516M Gr.485，接管材料為SA-106M Gr.C，人孔座的材料為SA-105M。

圖1 某核1級容器簡圖

1.2 容器設計要求

1)規范等級。容器為1級部件，支承為1級支承。設計和分析須滿足NB- 3000和NF- 3000的要求。

2)設計、運行和試驗載荷。設計載荷：設計壓力為1.0 MPa；設計溫度為100℃。運行載荷：運行壓力為0.7 MPa；運行溫度為70℃。

3)接管上的管道載荷。接管上的管道載荷如表1所示。

表1 接管上的管道載荷

4)試驗載荷。容器完成后須進行水壓試驗。試驗時，容器應考慮滿水載荷。

5)地震載荷。地震加速度水平方向：DBE：0.2 g，SSE：0.4 g，沿X軸 (見圖1)。除上述載荷外，不考慮其他機械載荷。

1.3 材料屬性

材料的彈性模量：E=2.02×105MPa (試驗溫度)；E=1.98×105MPa(設計溫度)，其余屬性如表2所示。

表2 材料屬性

2 容器結構設計

容器按ASME NB分卷設計，而NB分卷為以應力分析為主的規范，對于結構設計采用ASME NB分卷的規則公式進行試算，最終采用應力分析的方法進行驗證。故對結構設計不作過多的闡述，可以參照NB-3000章筒體、封頭等相關規則公式進行容器的主要承力部件材料規格初步確定。

對于鞍式支座的設計，可參考行業標準或者相關參考書(比如文獻[6])進行。對于人孔法蘭螺栓連接件的強度設計按ASME規范第Ⅲ卷附錄Ⅺ。后續按ASME規范整個設備進行應力分析。

3 容器疲勞設計

4 應力分析

根據ASME NB分卷及容器設計規格書規定，須進行6個工況計算分析，分別為設計工況、A、B、C、D級工況和試驗工況。

4.1 幾何模型及網格

為得到更準確的應力分布，計算采用整體模型、幾何模型及網格(見圖2和圖3)。網格采用以六面體為主的網格劃分，有限元模型最終單元數為4 476 116，節點數為2 128 520。

圖2 整體幾何模型 圖3 模型網格

4.2 載荷組合及工況

載荷組合及工況如表3所示。

4.3 邊界條件和載荷

固定鞍座：△X=0，△Y=0，△Z=0。

滑動鞍座：△X=Free，△Y=0，△Z=0。

4.3.1 設計工況

設計壓力：1.0 MPa，自重加速度：9.806 mm/s2，由內壓引起的接管等效軸向應力如表4所示，接管上的管道載荷如表1所示。考慮由內壓引起的接管等效軸向應力公式：P等效=-PDi2/(Do2-Di2)，其中P為內壓，Di為接管內徑，Do為接管外徑，“-”表示拉伸載荷。

表4 各種工況下接管等效軸向應力 單位：MPa

4.3.2 A、B、C、D級工況

A、B、C級工況設計壓力：均為0.7 MPa，D級工況設計壓力：1.0 MPa，自重加速度均為：9.806 mm/s2。各工況下由內壓引起的接管等效軸向應力如表4所示。同時，考慮最高水位線差生的液體壓力。B級工況需要考慮0.2 g的地震加速度，C、D級工況需要考慮0.4 g的地震加速度。

4.3.3 水壓工況

水壓工況下，內壓為1.3 MPa，自重加速度均為：9.806 mm/s2。同時，考慮容器滿水產生的液體壓力。由內壓引起的接管等效軸向應力如表4所示。

4.4 應力線性化路徑及限制條件

4.4.1 應力線性化路徑

結合ASME規范及設備的實際情況，設備的總體和局部應力線性化路徑分別如圖4～11所示。

圖4 筒體和封頭 圖5 人孔

圖6 接管1、接管2 圖7 接管3

圖8 接管4 圖9 支座

4.4.2 應力限制條件

應力限制條件如表5所示。

表5 應力限制條件

5 應力結果評定及驗證

5.1 各工況總體應力

各工況下，設備總體應力云圖，分別如圖12～17所示。

圖12 設計工況 圖13 A級工況

圖14 B級工況 圖15 C級工況

圖16 D級工況 圖17 水壓試驗工況

從各工況的應力云圖可知，最大應力節點均位于人孔和封頭連接處，此處結構不連續，且結構尺寸突變趨勢最大。

5.2 應力分類評定

限于篇幅，本文不列出結果，最終所有路徑的應力分類均滿足規范中限制條件的要求。

5.3 鞍式支座的屈曲分析

對于鞍式支座，在ASME規范上沒有相關屈曲分析的方法。本文采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模塊進行分析，將支座承受的最大支承載荷(設備滿水和地震，垂直最大荷載為21.21 kN，水平最大荷載為8.484 kN)施加于支座上，求解得到其臨界屈曲因子，并根據ANSYS屈曲計算理論，臨界屈曲因子大于1，則合格。計算結果如圖18～19所示。其1、2階屈曲因子均大于1，可知屈曲分析合格。

圖18 1階屈曲計算 圖19 2階屈曲計算

5.4 應力結果的驗證

根據ASME-NCA-4000章(2019版)及對應的NQA-1 PART Ⅱ等章節對計算機程序的要求，若不能滿足規范中這些章節規定的計算機程序開發質保要求，可采用每次驗證設計分析結果對應力結果進行驗證，以保證計算機程序的使用滿足ASME規范要求。

通常，可通過文獻查找相關一次、二次應力計算的解析解來對計算結果進行驗證，如文獻[6]中橢圓封頭的應力計算公式。對于接管局部應力，可用WRC公報或EN13445等中的解析解進行驗證。

6 結語

本文以按ASME-NB分卷設計的壓力容器為例，從結構設計、疲勞設計及應力分析等方面進行了論述，可為按ASME規范第Ⅲ卷開展壓力容器分析設計的工作者提供借鑒，主要有以下幾方面。

1)按ASME-NB分卷開展應力分析的應力限制條件的確定。

2)文中壓力容器的應力線性化路徑可供類似壓力容器的線性化路徑選取參考。

3)對于無規范或行業標準規定的屈曲分析，可考慮采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模塊開展屈曲分析。

4)對于應力結果的解析驗證，可從文獻、WRC公報、EN13445等處查找相關解析解進行驗證。