辐照考验回路稳压器抗震性能有限元分析

2018-03-12江丽娟戴钰冰吴红伟

设备管理与维修 2018年17期

江丽娟，戴钰冰，吴红伟

（中国核动力研究设计院一所，四川成都 610213）

0 引言

辐照考验回路中的稳压器是关键设备之一，用于调节与维持回路主系统压力，属于抗震I级设备。在回路冷启动时，根据系统升温升压的要求，将系统压力提升到额定工作压力；在回路运行过程中，系统压力出现波动时，则依靠稳压器的汽水空间调整来维持回路系统正常的工作压力；在事故工况下，通过开启安全阀将多余的蒸汽排出，防止系统和设备超压而被破坏。

根据核电厂抗震设计规范[1]，对于抗震I类物项，应同时满足运行安全地震振动（Operating-Basis Earthquake，OBE）和安全停堆地震振动（Safty Shutdown Earthquake，SSE）的设计要求。采用有限元方法，利用ANSYS15.0软件，建立了稳压器的三维有限元模型，对其进行了在重力、内压和地震等载荷作用下的应力分析，并结合RCC-M（法国《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的简称）规范[2]进行了强度评定。

1 稳压器有限元模型

1.1 有限元模型

辐照考验回路中的稳压器是一个直立圆筒形的耐高温高压容器，由筒体、上下封头和顶盖组成。在顶部设有喷淋头组件，中部有波动管组件，底部设有电加热元件，内部有电加热元件导向格架板与保护内壁的内筒。筒体内径为150 mm，壁厚35 mm，采用三维实体单元Solid185对稳压器进行有限元建模。为了快速评价稳压器的应力强度，在有限元建模的过程中，略去了喷淋头组件和电加热元件等，简化后的稳压器三维有限元模型如图1所示。有限元模型的边界条件，通过在稳压器裙座底部施加零位移约束来实现。

1.2 载荷与工况

除了其自身的重量，稳压器承受的载荷还有设计压力和操作压力2种内压，OBE和SSE 2种地震载荷，以及进行水压试验时的试验压力。其中自重载荷通过在竖直方向施加重力加速度g=9.81 m/s2实现。

根据RCC-M规范，对稳压器进行应力评定的工况包括设计工况、正常工况、紧急工况和试验工况4种。其中，设计工况对应的载荷为设计压力、自重和OBE地震载荷，正常工况包含的载荷为1.1倍操作压力、自重、和OBE地震载荷，紧急工况的载荷则为设计压力、自重和SSE地震载荷，试验工况的载荷为水压试验压力和无地震载荷。

图1 稳压器有限元模型

2 计算结果

2.1 模态分析

对稳压器进行应力分析之前，先进行模态分析计算其固有频率和振形。表1给出了稳压器前12阶固有振动频率以及X，Y和Z的 3个方向相应的模态参与系数和参与质量。根据计算给出的模态参与系数，可知X方向的主振频率为333.805 Hz，Y方向（垂直方向）的主频率为334.427 Hz，Z方向的主频率为596.845 Hz，均＞33 Hz。依据《核电厂抗震设计规范》，可将其视为刚体，从而可以采用静力法对稳压器进行抗震计算分析。

2.2 应力分析

采用ANSYS15.0软件对稳压器在各种载荷作用下进行应力分析。对于OBE和SSE载荷，由于稳压器的基准频率均＞33 Hz，因此依据《核电厂抗震设计规范》可将其视为刚体并采用静力法对其进行分析计算。稳压器在各种载荷作用下的最大应力强度和最大形变如表2所示。计算结果表明，稳压器在试验压力作用下产生的应力强度和形变最大，分别为449 MPa和0.964 mm，其次为设计压力和操作压力作用下产生的应力强度。

表1 稳压器的动态特性

表2 稳压器在各种载荷作用下的最大应力强度和形变

2.3 强度评定

在应力分析的基础上，根据各工况所包含的载荷组合，叠加计算稳压器在各工况下的应力强度。计算结果表明，在设计工况下稳压器的最大应力强度为357 MPa，正常工况下的最大应力强度为354 MPa，紧急工况对应的最大应力强度为357 MPa，试验工况下的最大应力强度为449 MPa。

按照RCC-M规范，每一种工况都应满足该工况下的最低准则级别，稳压器在4种工况对应的准则级别及应力限值如表3所示。其中S是许用应力值，取相应工况下最高温度时的值，σm和σL分别为总体薄膜应力和局部薄膜应力，σb为弯曲应力，Sy取自试验温度下的屈服强度值。稳压器的上下封头、筒体和顶盖使用的材料为Z8CNT18-11锻件，依据RCC-M 附录Z表Z11.5，在50℃和100℃下的基本许用应力值均为138 MPa，许用屈服强度Sy=207 MPa。

从表3可知，参与评定的应力类型应为薄膜应力以及薄膜应力与弯曲应力之和，而非应力强度。薄膜应力和弯曲应力可通过应力线性化得到。基于稳压器在各工况下应力强度分布的计算结果，选取应力强度较大的区域，指定应力线性化路径，得到该路径上的薄膜应力和弯曲应力。然后按照表3中的评价准则对稳压器进行强度评定。

表3 不同准则级别的应力限值

稳压器在4种工况下各零部件的薄膜应力σm（或局部薄膜应力σL）与薄膜应力和弯曲应力之和的最大值见表4。表中的非线性区域是指稳压器的几何上不连续区域，如包含有接管的封头。对于不连续的非线性区域，采用的应力类型不同于连续区域。对于连续区域，在所指定的路径上应力线性化后得到的薄膜应力σm以及薄膜应力与弯曲应力之和（σm+σb）都要进行评定，而非连续区域仅需评定后者。从表4可以发现，对于设计工况，稳压器各零部件的安全裕度均在80%～90%；正常工况下的安全裕度略高于设计工况，均在90%以上。而对于载荷情况更为严苛的紧急工况和试验工况，安全裕度最低在50%左右，其中上封头的安全裕度略高于筒体和下封头部位。

3 结论

采用有限元方法，利用ANSYS15.0软件对稳压器进行了抗震性能分析及应力评定。基于稳压器在自重、设计压力、操作压力和地震载荷等作用下的应力分析，得到稳压器在设计工况、正常工况、紧急工况和试验工况下的应力强度分布。结果表明，稳压器在试验工况下的应力强度最大，正常工况下的应力强度最小。进一步按照RCC-M规范进行应力分类，即沿着指定路径线性化应力，得到所需要的薄膜应力σm和弯曲应力σb。与RCCM规范中的应力限值比较可知，对于包含有地震载荷的设计工况、正常工况和紧急工况，稳压器有足够的安全裕度；对于试验工况，稳压器也具有足够的安全裕度。总体来说，试验用稳压器有足够的安全裕度保障，符合RCC-M和抗震设计规范要求。