CPR1000反应堆压力容器主螺栓孔螺纹力学分析研究

2019-04-08，，

压力容器 2019年2期

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(1.中国广核集团有限公司，广东深圳 518026；2.核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东深圳 518172； 3.深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518172)

0 引言

螺纹联接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接，具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点。基于此，为了满足装卸料要求，中国改进型三环路压水堆(CPR1000)反应堆压力容器采用大口径两体可拆结构，即大直径上封头组件与筒体组件经密布的大型主螺栓联接为密闭容器，依靠主螺栓载荷保证足够的密封储备，防止冷却剂发生泄漏。

螺纹联接是用来传递作用力及将机器零部件联接成一个工作整体的重要组成构件[1]，在各类工程领域中得到广泛使用。螺纹受力分布的精确分析是一个复杂的接触应力问题，对于螺栓螺纹结构本身的受力，国内外开展了较多的研究。早期的近似分析由三维光弹试验方法得出[2]。螺纹牙上的受力分布也可用一个多自由度的弹簧系统来模拟计算[3]。有限元计算在20世纪70年代末开始用于螺纹受力分布分析[4]。随着有限元算法及计算机的进步与发展，螺栓联接的有限元分析变得越来越常见。文献[5]指出，由于螺纹联接固有的一些特性，使其正常工作状态下的螺牙之间的载荷分布不均匀，而呈非线性状态。这种非线性分布势必导致螺纹的某个螺牙受载较高，而另外某个螺牙的受载较小。文献[6]表明，在工程实际中螺栓的疲劳断裂大多发生在螺母与被联接件接触面附近的螺纹根部。

CPR1000反应堆压力容器长期在高放射性、高压、高温的环境下运行，且在役期间承受的温度和压力瞬态有40余种[7]，这对联接螺纹提出了非常严苛的要求，其受力关乎反应堆压力容器结构完整性，失效带来的后果是灾难性的。对于反应堆压力容器联接结构[8-10]，国内外学者主要关注其密封特性[11-13]，做了相应的研究[14-16]。但是，由于反应堆压力容器螺栓结构尺寸大，法兰及密封结构更是复杂，全尺寸试验或数值计算难度很大，因此，反应堆压力容器螺纹力学分析方面的系统研究尚未见报导，故很有必要开展研究。

本文应用ANSYS有限元分析软件，对CPR1000反应堆压力容器主螺栓孔螺纹进行受力分析，综合考虑螺纹升角、法兰实际结构形式等多种因素，对螺纹应力集中系数、剪切应力等进行分析研究。

1 结构介绍

CPR1000反应堆压力容器密封结构由法兰、螺栓、筒体、顶盖等部件构成，如图1所示，其结构相当复杂。该型反应堆压力容器共有近60根螺栓，主螺栓和螺孔采用M155 mm×4 mm 的螺纹，螺栓螺纹与螺孔螺纹的有效啮合长度约200 mm。螺孔材料为低合金钢，螺栓材料为铬镍钼合金钢(低铬钢)，两种材料弹性模量取值均为204 000 MPa，泊松比0.3，两种材料间的摩擦系数取0.15。

图1 反应堆压力容器密封结构示意

2 耦合与接触算法对比分析

2.1 有限元分析模型

考虑反应堆压力容器螺栓与螺孔实际螺纹结构及尺寸，建立轴对称分析模型，见图2。分别设置面-面接触条件和耦合螺纹法线方向节点自由度，见图3。

图2 轴对称分析结构及网格

图3 螺纹间条件设置

2.2 计算结果及对比分析

采用上述两种接触条件，在模型螺栓顶端施加10 MPa的拉力载荷，在底端施加竖直方向约束条件，进行应力计算，分别提取了剪应力和应力集中系数进行对比分析，图4(螺栓螺纹前4扣为非啮合状态，故不承载)和图5为剪应力计算结果，详细对比结果见表1。接触算法和耦合算法的最大差异比仅为1.3%，可以认为两种方法均可用于螺纹分析，耦合算法趋于保守且可节省大量计算资源，故后文中三维实体模型均采用耦合节点的方法进行计算。

图4 螺栓螺纹剪应力结果及对比

图5 法兰螺孔螺纹剪应力结果及对比

项目接触算法耦合算法两种算法差异比平均剪应力2.25 MPa2.28 MPa1.3%应力集中系数4.904.951.0%

3 螺纹受力与外载关系分析

3.1 有限元分析模型

采用轴对称分析模型，螺栓螺纹与螺孔螺纹之间设置接触边界条件，在模型顶端分别施加1,2,3,4,5,10 MPa的拉力载荷。

3.2 计算结果及分析

图6 1 MPa拉力载荷应力强度云图

图7 2 MPa拉力载荷应力强度云图

图8 3 MPa拉力载荷应力强度云图

各载荷作用下的应力强度云图如图6～11所示，各载荷作用下螺孔螺纹应力集中系数和平均剪应力见表2，施加载荷与法兰螺纹平均剪应力关系如图12所示。

图9 4 MPa拉力载荷应力强度云图

图10 5 MPa拉力载荷应力强度云图

图11 10 MPa拉力载荷应力强度云图

分析结果表明，螺纹分析时虽存在非线性因素(接触等)，但对于整个螺栓及螺孔螺纹结构而言，施加的载荷与计算结果仍为线性关系。

表2 不同载荷下螺孔螺纹计算结果

图12 螺纹剪应力与施加载荷关系曲线

4 螺纹升角影响分析

4.1 有限元分析模型

图13 三维圆筒模型几何结构

图14 三维圆筒模型有限元网格

通过采用两种有限元分析模型，用以分析螺纹升角对计算结果的影响。第1种为轴对称模型，不考虑螺纹升角，见图2；第2种为三维圆筒模型，螺栓为实际结构，法兰简化为圆柱筒体，考虑螺纹升角，其几何结构如图13所示，有限元网格如图14所示。

4.2 计算结果及对比分析

采用上述两种模型，螺纹处设置耦合条件，在模型螺栓顶端施加10 MPa的拉力载荷，在底端施加竖直方向约束条件，进行应力计算，分别提取螺孔螺纹剪应力和应力集中系数进行对比分析。

轴对称模型见本文第2部分。三维圆筒模型受力计算结果如图15所示。两种模型螺孔螺纹剪应力对比情况见图16，计算结果数据对比见表3。分析表明，应力集中系数差异比为5.6%，平均剪应力差异比为1.8%，对于反应堆压力容器主螺孔螺纹而言，可认为是否考虑螺纹升角对计算结果均有效、可用。

图15 三维圆筒模型应力强度云图

图16 三维圆筒模型与轴对称模型计算结果比较曲线

项目轴对称模型圆筒模型两种模型差异比应力集中系数4.955.235.6%平均剪应力2.28 MPa2.32 MPa1.8%

5 法兰实际结构影响分析

5.1 有限元分析模型

通过采用两种有限元分析模型，用以分析法兰实际结构对计算结果的影响。第1种为三维圆筒模型，法兰简化为圆柱筒体，考虑螺纹升角，见图13；第2种为实际法兰模型，螺栓、螺孔及法兰均为实际结构，考虑螺纹升角，其几何结构如图17所示，有限元网格如图18所示。

图17 实际法兰模型几何结构

图18 实际法兰模型有限元网格

5.2 计算结果及对比分析

三维圆筒模型计算情况见本文第4部分。两种模型螺孔螺纹应力集中系数及平均剪应力对比情况见图19，计算结果数据对比见表4。分析表明，由于法兰结构局部区域不对称和螺栓受弯，应力集中系数较圆筒模型大4.2%，由于法兰结构螺栓受弯，平均剪应力较圆筒模型大2.6%，对于反应堆压力容器主螺孔螺纹而言，考虑法兰实际结构和简化为圆筒模型计算所得结果差异较小，可认为两种方法均有效、结果合理可用。