ASME-NB规范级容器的应力分析探讨

刘伟东，付 涛，袁 宁，元世海，季敏东

(1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)

0 引言

美国ASME规范是现今世界公认的技术内容最完整、技术最先进、应用最广泛的动力锅炉及压力容器综合标准体系。包括了从设计、材料、制造和检验、在役检查等非常全面的动力锅炉及压力容器建造内容。ASME规范第Ⅲ卷为专门针对核安全设施部件建造所编制的规范。所涉及的技术、理论是非常复杂，但却又是技术、理论最先进的。众所周知，核安全设备若出现设计问题，其对公众、环境、经济、社会的影响是无法估量的。本文以某核1级压力容器设备为例，对按ASME规范2019版第Ⅲ卷NB分卷设计的容器的应力分析进行深入的阐述，目的在于能给核安全设备设计者提供一些参考。

1 某核1级容器简介

1.1 容器概述

该容器用于存放具有强放射性的介质，其结构并不复杂，主要部件为左右封头、筒体、4件接管及人孔组件，通过双鞍座支承，一个为滑动鞍座，一个为固定鞍座(见图1)。设备筒体、封头名义厚度均为26 mm，鞍座垫板厚度为26 mm，鞍座其余零部件厚度均为16 mm，封头、筒体、鞍座的材料均为SA-516M Gr.485，接管材料为SA-106M Gr.C，人孔座的材料为SA-105M。

图1 某核1级容器简图

1.2 容器设计要求

1)规范等级。容器为1级部件，支承为1级支承。设计和分析须满足NB- 3000和NF- 3000的要求。

2)设计、运行和试验载荷。设计载荷：设计压力为1.0 MPa；设计温度为100℃。运行载荷：运行压力为0.7 MPa；运行温度为70℃。

3)接管上的管道载荷。接管上的管道载荷如表1所示。

表1 接管上的管道载荷

4)试验载荷。容器完成后须进行水压试验。试验时，容器应考虑满水载荷。

5)地震载荷。地震加速度水平方向：DBE：0.2 g，SSE：0.4 g，沿X轴 (见图1)。除上述载荷外，不考虑其他机械载荷。

1.3 材料属性

材料的弹性模量：E=2.02×105MPa (试验温度)；E=1.98×105MPa(设计温度)，其余属性如表2所示。

表2 材料属性

2 容器结构设计

容器按ASME NB分卷设计，而NB分卷为以应力分析为主的规范，对于结构设计采用ASME NB分卷的规则公式进行试算，最终采用应力分析的方法进行验证。故对结构设计不作过多的阐述，可以参照NB-3000章筒体、封头等相关规则公式进行容器的主要承力部件材料规格初步确定。

对于鞍式支座的设计，可参考行业标准或者相关参考书(比如文献[6])进行。对于人孔法兰螺栓连接件的强度设计按ASME规范第Ⅲ卷附录Ⅺ。后续按ASME规范整个设备进行应力分析。

3 容器疲劳设计

4 应力分析

根据ASME NB分卷及容器设计规格书规定，须进行6个工况计算分析，分别为设计工况、A、B、C、D级工况和试验工况。

4.1 几何模型及网格

为得到更准确的应力分布，计算采用整体模型、几何模型及网格(见图2和图3)。网格采用以六面体为主的网格划分，有限元模型最终单元数为4 476 116，节点数为2 128 520。

图2 整体几何模型 图3 模型网格

4.2 载荷组合及工况

载荷组合及工况如表3所示。

4.3 边界条件和载荷

固定鞍座：△X=0，△Y=0，△Z=0。

滑动鞍座：△X=Free，△Y=0，△Z=0。

4.3.1 设计工况

设计压力：1.0 MPa，自重加速度：9.806 mm/s2，由内压引起的接管等效轴向应力如表4所示，接管上的管道载荷如表1所示。考虑由内压引起的接管等效轴向应力公式：P等效=-PDi2/(Do2-Di2)，其中P为内压，Di为接管内径，Do为接管外径，“-”表示拉伸载荷。

表4 各种工况下接管等效轴向应力 单位：MPa

4.3.2 A、B、C、D级工况

A、B、C级工况设计压力：均为0.7 MPa，D级工况设计压力：1.0 MPa，自重加速度均为：9.806 mm/s2。各工况下由内压引起的接管等效轴向应力如表4所示。同时，考虑最高水位线差生的液体压力。B级工况需要考虑0.2 g的地震加速度，C、D级工况需要考虑0.4 g的地震加速度。

4.3.3 水压工况

水压工况下，内压为1.3 MPa，自重加速度均为：9.806 mm/s2。同时，考虑容器满水产生的液体压力。由内压引起的接管等效轴向应力如表4所示。

4.4 应力线性化路径及限制条件

4.4.1 应力线性化路径

结合ASME规范及设备的实际情况，设备的总体和局部应力线性化路径分别如图4～11所示。

图4 筒体和封头 图5 人孔

图6 接管1、接管2 图7 接管3

图8 接管4 图9 支座

4.4.2 应力限制条件

应力限制条件如表5所示。

表5 应力限制条件

5 应力结果评定及验证

5.1 各工况总体应力

各工况下，设备总体应力云图，分别如图12～17所示。

图12 设计工况 图13 A级工况

图14 B级工况 图15 C级工况

图16 D级工况 图17 水压试验工况

从各工况的应力云图可知，最大应力节点均位于人孔和封头连接处，此处结构不连续，且结构尺寸突变趋势最大。

5.2 应力分类评定

限于篇幅，本文不列出结果，最终所有路径的应力分类均满足规范中限制条件的要求。

5.3 鞍式支座的屈曲分析

对于鞍式支座，在ASME规范上没有相关屈曲分析的方法。本文采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模块进行分析，将支座承受的最大支承载荷(设备满水和地震，垂直最大荷载为21.21 kN，水平最大荷载为8.484 kN)施加于支座上，求解得到其临界屈曲因子，并根据ANSYS屈曲计算理论，临界屈曲因子大于1，则合格。计算结果如图18～19所示。其1、2阶屈曲因子均大于1，可知屈曲分析合格。

图18 1阶屈曲计算 图19 2阶屈曲计算

5.4 应力结果的验证

根据ASME-NCA-4000章(2019版)及对应的NQA-1 PART Ⅱ等章节对计算机程序的要求，若不能满足规范中这些章节规定的计算机程序开发质保要求，可采用每次验证设计分析结果对应力结果进行验证，以保证计算机程序的使用满足ASME规范要求。

通常，可通过文献查找相关一次、二次应力计算的解析解来对计算结果进行验证，如文献[6]中椭圆封头的应力计算公式。对于接管局部应力，可用WRC公报或EN13445等中的解析解进行验证。

6 结语

本文以按ASME-NB分卷设计的压力容器为例，从结构设计、疲劳设计及应力分析等方面进行了论述，可为按ASME规范第Ⅲ卷开展压力容器分析设计的工作者提供借鉴，主要有以下几方面。

1)按ASME-NB分卷开展应力分析的应力限制条件的确定。

2)文中压力容器的应力线性化路径可供类似压力容器的线性化路径选取参考。

3)对于无规范或行业标准规定的屈曲分析，可考虑采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模块开展屈曲分析。

4)对于应力结果的解析验证，可从文献、WRC公报、EN13445等处查找相关解析解进行验证。