彭翠玲，張周紅，向文元

（1．中國廣東核電集團中科華核電技術研究，廣東 深圳518124；

2．中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124）

核電站安全殼是構成核反應堆安全的最后一道屏障，貫穿件是安全殼結構的重要組成部分，在核電站運行期間和發(fā)生事故時應保證安全殼的結構完整性和密封性不被破壞，因此貫穿件的設計必須能在各種工況下滿足力學性能的要求。高能管道貫穿件是一種受力狀態(tài)相對復雜的貫穿件類型，不僅承受機械載荷（如壓力、連接管道的作用力等），還承受管道流體熱載荷的作用，因此高能管道貫穿件在各種工況下的力學行為不僅要滿足設計規(guī)范RCC-M［1］的要求，同時還要滿足廠房混凝土溫度的相關要求。

圖1 高能管道貫穿件結構示意圖Fig．1 Penetration structure for high energy pipes

1 結構描述與分析方法

EPR機組貫穿件的機械分級為M2級，抗震分級為SC1級。高能管道貫穿件的典型結構型式如圖1所示，一般主要由連接件、套管、膨脹節(jié)、保溫層以及連接的流體管道等構成，使管道貫穿內、外兩層安全殼。其中貫穿件的連接件是主要受力部件，其力學性能直接影響貫穿件的安全性。

由于高能管道貫穿件承受熱載荷與機械載荷，貫穿件的應力分析通常分兩步進行：首先進行熱分析，得到結構的溫度分布，判斷安全殼混凝土溫度是否滿足要求；再進行熱-機械耦合分析，得到結構的應力分布，并采用RCC-M規(guī)范進行應力評定。本文以某EPR項目的貫穿件RIS DN200為算例，采用通用有限元程序ANSYS建立貫穿件結構模型進行應力分析，并應用RCC-M規(guī)范進行貫穿件的應力評定。

2 熱分析

高能管道貫穿件熱分析的計算模型應包括貫穿件連接件、連接管道、套管、保溫層、相連的混凝土以及結構中的空腔部分。由于結構的軸對稱特征，可以采用平面模型進行傳熱分析，本文采用ANSYS［2］程序中的二維熱實體單元Plane55。

貫穿件的傳熱分析應定義各部分材料的熱傳導系數(shù)。傳熱邊界處中應考慮傳熱邊界的對流和輻射效應，采用等效的熱對流系數(shù)進行分析。

式中：k——空氣傳導系數(shù)；

NuD——傳熱表面的平均努塞爾數(shù)；

L——傳熱表面的特征長度；

ε——傳熱表面的熱輻射率；

σ——熱擴散率；

TS——表面溫度；

T∞——環(huán)境溫度。

隨著顧客價值理論在旅游領域的廣泛應用，一些學者開始運用“Means-End”理論對旅游者行為開展研究。如Bona Kim、Seongseop Sam Kim、Brian King[20]對朝圣旅游者的出游目的及價值取向進行研究；Klenosky、Gengler、Mulvey[21]用該理論研究了影響旅游者選擇滑雪旅游目的地的因素；張波[22]基于手段—目的理論對自助旅游者、徒步旅游者和休閑體驗旅游者構建包含有效解釋系統(tǒng)基礎組成、旅游者利益體驗、旅游者最終價值的解說系統(tǒng)結構。目前，關于運用“Means-End”理論進行游客感知價值層次關系的研究較少。

高能管道貫穿件RIS DN200連接的管道正常運行時流體的最大溫度為135℃，熱分析得到貫穿件結構的溫度分布見圖2。從計算結果讀取混凝土區(qū)域的節(jié)點最高溫度為38．4℃，低于廠房混凝土允許溫度80℃。

圖2 貫穿件RIS DN200溫度分布（單位：K）Fig．2 Temperature distribution of penetration RIS DN200（Unit：K）

3 熱-機械耦合分析

3．1 計算模型

高能管道貫穿件的熱-機械耦合分析計算模型采用ANSYS程序中的諧單元Plane25，該單元適用于承受非軸對稱載荷的二維軸對稱結構的建模。

高能管道貫穿件的熱-機械耦合分析模型取自傳熱分析模型的一部分，包括貫穿件的連接件，部分套管和流體管道。套管與廠房連接處的節(jié)點作為固定約束。

3．2 計算載荷

高能管道貫穿件熱-機械耦合分析考慮的載荷包括如下幾個方面：

（1）溫度載荷

溫度載荷采用傳熱分析得到的溫度場分布，如圖3所示。

（2）壓力

壓力載荷分布如圖4所示。

圖3 熱-機械耦合分析的溫度分布Fig．3 Temperature distribution for thermal-mechanical coupled analysis

圖4 壓力載荷分布Fig．4 Pressure load distribution

式中：Dout，Din分別為流體管道的外徑、內徑。

（3）接管載荷

接管載荷是貫穿件連接的管道對連接件的作用力，通常由管道力學分析的計算結果得到各工況下連接件兩端的接管載荷。本算例貫穿件應力計算中保守的采用不同工況下的接管載荷（表1）。

表1 接管載荷Table 1 Load of connection tube

（4）自重

只考慮模型中構件的自重，流體重量等影響在接管載荷中已考慮。

4 計算結果評定

4．1 結果處理

由于計算模型采用二維軸對稱單元Plane25，該單元適用于承受非軸對稱載荷的二維軸對稱結構?？紤]結構的對稱性，模型的計算結果在0～180°范圍內每10°進行提取，最終得到圓周上的最大值。

為根據(jù)RCC-M規(guī)范進行應力評定，需要在結構模型中定義路徑，對計算應力沿路徑進行線性化處理。本算例中，將模型劃分為12個區(qū)域，如圖5所示，每個區(qū)域定義1條或多條路徑，在計算過程中得到每個區(qū)域線性化應力的最大值進行應力評定。

4．2 評定準則與結果

貫穿件為RCC-M 2級設備，根據(jù)RCC-M的要求，貫穿件的連接件按照章節(jié)C3280進行評定，套管按照H3300進行評定，具體評定準則見表2。本算例得到設計工況的應力分布見圖6，設計工況下應力評定結果見表3。

圖5 區(qū)域和路徑定義Fig．5 Definition of zones and paths

表2 評定準則Table 2 Criteria for stress evaluation

圖6 設計工況下應力分布Fig．6 Stress distribution in design condition

表3 設計工況應力評定結果Table 3 Results of stress evaluation in design condition

續(xù)表

為節(jié)約篇幅，此處不再詳細列出算例貫穿件在其余各工況下的應力評定結果。

匯總所有工況的計算結果，高能管道貫穿件RIS DN200的最終應力評定結果見表4。從表中可以看出，在計算過程中采用算例貫穿件RIS DN200的應力評定滿足規(guī)范要求。同時，熱分析的結果表明貫穿件鄰近區(qū)域混凝土的溫度也低于限值。因此，該高能管道貫穿件的設計符合相關要求。

表4 應力評定結果Table 4 Results of stress evaluation

5 結論

（1）高能管道貫穿件的分析過程一般包括熱分析與熱-機械耦合分析兩個步驟，熱分析的計算結果得到結構的溫度分布，以判斷是否滿足溫度的相關要求，同時還作為熱-機械耦合分析中的溫度載荷，進行結構的應力分析與評定。

（2）考慮貫穿件結構的軸對稱特征，貫穿件的熱分析和熱-機械耦合分析模型通?？刹捎闷矫鎲卧M行簡化。

（3）根據(jù)RCC-M規(guī)范進行貫穿件的評定，連接件與套管應分別采用C3280和H3320的具體要求對各種工況的貫穿件應力進行評定。

［1］ AFCEN，Rules for design and fabrication of mechanical components of PWR nuclear islands （RCC-M ）［S］，2007．

［2］ ANSYS Inc，ANSYS User's Manual［M］，2007．