屏蔽主泵贫铀飞轮完整性分析

张贵滨，张振禹



屏蔽主泵贫铀飞轮完整性分析

张贵滨1,2，张振禹1,2

（1.黑龙江省核主泵工程技术研究中心，哈尔滨 150066；2. 哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨 150066）

为避免反应堆紧急停堆或断电事故中堆芯损坏，需要在屏蔽主泵电机上安装储能飞轮，为使其在有限的空间内产生较大的转动惯量，屏蔽主泵飞轮材料采用高密度贫铀合金金属材料。本文主要对贫铀飞轮的完整性进行了研究，从应力强度和断裂力学两方面对贫铀飞轮进行了分析，结果表明：在设计和额定转速下飞轮的应力强度和断裂强度因子满足设计规范的要求，并通过解析分析结果与有限元分析结果的对比表明应力分析结果合理可信。

主泵屏蔽电机；贫铀飞轮；应力强度；断裂力学

0 前言

反应堆冷却剂泵是压水堆核电站一回路系统的关键设备之一，其主要功能是驱动反应堆冷却剂在一回路系统中循环，将堆芯产生的热量传递给蒸发器二次侧，是有效调整反应堆温度、保证反应堆安全的重要设备[1,2]。为了确保反应堆紧急停堆或全厂断电事故等工况下堆芯的安全，要求主泵具有足够的惰转时间，继续驱动反应堆冷却剂循环，冷却堆芯，需要在屏蔽主泵电机轴上安装大惯量的飞轮，以保证反应堆停堆后主泵具有足够的惰转能力，保证反应堆的安全[3]。

飞轮是主泵重要的功能部件之一，属于核安全相关部件，为了确保飞轮能够在高转速下长期运行，需要对飞轮结构的完整性进行分析[4]。本文分别采用解析计算方法与有限元计算方法对飞轮的应力强度进行对比分析，证明了方法的正确性和可行性，并依据法规对分析结果进行判定[5～8]，以确保飞轮结构的完整性。

1 飞轮结构与设计准则

1.1 飞轮结构

屏蔽主泵飞轮位于承压边界内，整体浸渍在高温高压的水中。主泵运行时大直径的飞轮会产生大量的摩擦损耗使机组效率降低并使主泵机组的整体尺寸变大，而小直径的飞轮又无法满足机组所需的转动惯量的要求[9]。为降低主泵机组的整体尺寸，以及提高机组使用效率，屏蔽主泵飞轮材料采用高密度贫铀合金金属材料能使其在有限的空间内的转动惯量达到最大，该种材料密度约为18.5g/cm3。屏蔽主泵贫铀飞轮结构示意图如图1所示，由贫铀盘、轮毂、键、侧盖板和外壳组成。贫铀盘采用圆环结构，为方便进行无损检测，贫铀飞轮由9个等厚的贫铀盘叠压而成，采用平键进行定位。贫铀盘与轮毂之间采用过盈连接：在飞轮两个端面及外表面分别设置不锈钢盖板及屏蔽外壳，与飞轮轮毂构成封闭腔体，避免贫铀合金受到反应堆冷却剂的腐蚀。

图1 屏蔽主泵贫铀飞轮结构示意图

1.2 飞轮材料特性

表1飞轮材料特性

轮毂贫铀盘 Sy/MPa245400 Su/MPa465670 ρ/（g/cm3）7.7518.5 E/MPa2.05×105 1.6×105 v0.30.3

注：材料特性中屈服强度与抗拉强度均为设计温度下的材料特性参数。

1.3 飞轮设计准则[10,11]

飞轮完整性分析包括应力强度分析和断裂力学分析。应力强度分析包括在额定转速（1500r/min）下，飞轮一次应力不应超过最小屈服强度的1/3；设计转速（1875r/min）下，飞轮一次应力不应超过最小屈服强度的2/3。断裂力学分析是飞轮在有最大假想裂纹的工况下，判断高应力区裂纹处的应力强度因子是否小于临界应力强度因子。

2 飞轮应力分析

2.1 飞轮应力强度解析法分析

2.1.1 飞轮分析模型

飞轮应力强度解析法采用沿轴横截面建立的轴对称模型进行分析，如图2所示，r1，r2分别为轮毂的内外径；r3为贫铀盘外径。

2.1.2 飞轮贫铀盘应力强度解析分析

在设计转速和额定转速工况下，贫铀盘自身旋转产生的离心力和外部压力综合作用下产生的平均环向应力：

设计转速计算公式[12]：

额定转速计算公式[12]：

图2 贫铀飞轮轴对称分析模型

2.1.3 飞轮轮毂应力强度解析分析

在设计转速和额定转速工况下，轮毂自身旋转产生的离心力产生的平均环向应力：

设计转速计算公式[12]：

额定转速计算公式[12]：

2.1.4 应力强度解析法分析结果

按照上述分析计算方法对飞轮贫铀盘及轮毂在设计转速及额定转速下的一次应力强度进行计算，结果见表2。

表2 飞轮一次应力解析分析结果

2.2 飞轮应力强度有限元法分析

采用有限元分析程序ANSYS 14.5对贫铀飞轮结构进行强度计算分析，主要计算了设计转速和额定转速工况下贫铀盘和轮毂的应力。

2.2.1 飞轮有限元分析模型

在建立模型的过程中各部件均采用实体模型，网格由六面体单元（SOLID186）组成，根据结构及其载荷的对称性，模型取整体轴向结构的1/9进行分析，计算模型如图4、图5所示。

图4 贫铀盘有限元分析模型

图5 轮毂有限元分析模型

2.2.2 应力强度有限元分析结果

利用有限元分析软件对飞轮贫铀盘及轮毂在设计转速及额定转速下的应力强度进行计算，设计转速下贫铀盘和轮毂的应力强度云图如图6和图7所示，结果见表3。

图6 贫铀盘有限元分析结果

图7 轮毂有限元分析结果

表3 飞轮一次应力有限元分析结果

3 飞轮应力分析结果对比与评定

分别采用解析分析方法与有限元分析方法计算了飞轮贫铀盘与轮毂在设计转速及额定转速工况下的一次应力，并依据飞轮应力设计准则对分析结果进行了评定，结果证明飞轮一次应力均满足强度要求。同时对解析分析方法与有限元分析方法得到的结果进行了对比，计算结果基本一致，证明了两种方法的可行性。飞轮应力分析结果对比与评定见表4。

表4 飞轮应力分析结果对比与评定 单位：MPa

方法设计转速工况额定转速工况 贫铀盘一次应力轮毂一次应力贫铀盘一次应力轮毂一次应力 计算值限值评定计算值限值评定计算值限值评定计算值限值评定 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 误差%1.93.311

4 飞轮断裂力学分析

根据线弹性断裂力学分析原理，首先假定在飞轮最危险部位存在一个最大的假想裂纹，并计算该部位的应力强度因子,然后将值与临界应力强度因子相比较，判断是否能防止延性断裂。

4.1 裂纹的位置和大小

最大假想缺陷为垂直于最大应力方向（纵向）的尖锐表面缺陷。对于贫铀盘键槽处的环向拉应力是最大的，为305MPa，因此假设裂纹的位置在键槽的应力最大点位置。现按飞轮内圆存在一个椭圆形表面裂纹进行计算，初始裂纹尺寸取为预期漏检缺陷的最大尺寸i=1.6mm。

4.2 应力强度因子计算[14～15]

将计算对象简化成半无限大体具有表面半椭圆形片状裂纹的计算模型，其应力强度因子表达式为：

式中E()是以为参数的第二类完整椭圆积分

式中：a——半椭圆裂纹的短半轴；

C——半椭圆裂纹的长半轴。

当<<时，/0，有=1(相当于单边贯穿裂纹)

应力强度因子

5 结论

本文对贫铀飞轮结构的完整性进行了分析，包括应力强度分析和断裂力学分析，得到以下结论：

（1）在应力强度分析中采用解析分析方法和有限元分析方法计算了贫铀飞轮贫铀盘及轮毂在设计转速和额定转速下的一次应力，一次应力值均小于设计准则中的应力限值，满足应力强度要求。

（2）将解析法分析结果与有限元法分析结果对比，得出两种方法计算结果基本一致的结论，证明飞轮一次应力分析结果是合理可信的。

（3）断裂力学分析是在贫铀盘键槽位置假想有一个椭圆形表面裂纹，计算该部位的应力强度因子，小于临界应力强度因子,并有一定的余量。

[1] 李梦启.三代核电反应堆冷却剂泵屏蔽电机的技术特点[J]. 大电机技术, 2009, 8(10): 1-4.

[2] 陈兴江, 罗志远等. 核电站轴封型主泵电机飞轮结构分析与研究[J]. 大电机技术, 2015, (241): 30-33.

[3] 陈刚. 核电屏蔽电机主泵大惯量飞轮技术[J]. 防爆电机, 2016, 51(192): 23-26.

[4] RG 1.14-1975, 反应堆冷却剂泵飞轮完整性[S].

[5] 葛磊, 王德忠, 张继革. 屏蔽电机主泵惯性飞轮完整性分析[J]. 上海理工大学学报, 2012, 34(6): 584-588.

[6] 李笑天, 鞠红惠. 主循环泵惯性飞轮完整性分析[J]. 原子能科学技术, 2007, 41(4): 1-6.

[7] 张贵滨. 冷却剂泵电机飞轮完整性分析[J]. 民营科技, 2010(6):16-16.

[8] 张强, 李昊, 张立梅. 柴油机飞轮的应力分析[J]. 农业机械学报, 2002, 33(4):131-132.

[9] 崔海燕, 李天斌. 核主泵飞轮结构及设计要求探讨[J]. 通用机械, 2015(9):79-82.

[10] 上海核工程研究设计院.反应堆冷却剂泵设备规范书(屏蔽泵) Rev.1[R]. 上海: 2014.

[11] 宋艳文, 李再赫, 于令新,等. 核电站反应堆冷却剂泵电动机转子飞轮的设计与评定[J]. 大电机技术, 1999(5):1-3.

[12] 电指(DZ)-1965, 大型电机机械计算公式[S].

[13] 宋俊杰, 刘茂江译. 材料力学手册[M]. 河北: 人民出版社, 1982.

[14] 李庆芬等. 断裂力学及其在工程上的应用[M]. 哈尔滨:工程大学出版社, 2007.

[15] 程靳, 赵树山. 断裂力学[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

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

张贵滨（1981-），男，2005年毕业于吉林大学机械专业，现从事核主泵、大中型交直流电动机结构强度计算方面的工作，工程师。

审稿人：李志和