朱永波，翟立宏

由于反應堆壓力容器及其進、出口接管等都屬于一級核承壓設備，其安全評定結果直接關系到核電廠的安全。因此，對其進行的安全評定要嚴格遵守相關的規(guī)范、標準和法規(guī)。本工作所依據(jù)的分析設計標準和規(guī)范是ASME（2004版）第Ⅲ卷NB分卷及附錄F。

1 功能介紹

反應堆容器是用于支撐和封閉反應堆芯的高壓安全殼邊界。容器為圓柱形，帶有半球形下封頭和可拆卸的法蘭半球形上封頭（頂蓋）。進口接管用于調節(jié)反應堆冷卻劑的流量，通過出口接管使冷卻劑在堆芯周圍循環(huán)，將堆芯的熱量傳送到蒸發(fā)器進行發(fā)電。

2 計算假設

（1）建立在材料為均質、各向同性并符合小變形假設的以線彈性為基礎的彈性應力分析。

（2）為滿足各種工況，該有限元模型的邊界條件必須能夠模擬真實結構的受力狀態(tài)。

（3）由于堆焊層被設定為不承載，故該有限元模型不包含堆焊層結構。

3 計算思想

依據(jù)ASME（2004版）規(guī)范，本文采用Tresca屈服準則，構件中某點處的應力強度為該點處的最大剪應力的2倍，即：

式中，S—構件中某點處的應力強度（N/mm2）；

分析設計法要求對結構件各部位所受各種應力進行詳細分析計算，并根據(jù)應力在構件上的分布、產生的原因以及對引起失效的作用的不同分為一次應力、二次應力和峰值應力。一次應力P也稱基本應力，是指由外加載荷在容器中產生的應力，一次應力為直接參與和機械載荷相平衡的應力，具有非自限性的基本特征。一次應力又分為一次總體薄膜應力Pm、一次彎曲應力Pb和一次局部薄膜應力PL。二次應力Q是指由相鄰部件的約束和結構自身約束所引起的應力，在結構不連續(xù)處的彎曲應力和熱應力都屬于二次應力。峰值應力F是由局部結構不連續(xù)性和受局部熱應力的影響而附加于一次及二次應力和值之上的應力增量，其主要特點是具有高度的局部性，不會引起任何明顯的變形，僅可能引起疲勞裂紋或脆性斷裂。

本文采用的ANSYS軟件是世界范圍內最先通過ISO9001質量體系認證的分析設計類軟件，同時也是獲得國家核安全局和全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會認可的分析軟件之一。

4 分析計算

4.1 模型建立

因反應堆容器結構和載荷均具有對稱性，故取整體模型的1/2為計算對象。在建模過程中以下結構不予考慮：

（1）頂蓋貫穿件和IHP支撐與吊耳結構。

（2）安注接管結構。

（3）堆芯支撐、分流裙筒支撐。

（1）實時切換。支持快速實時編輯切換、實時播出回放，廣泛應用于演播室播出、多機位錄制等各種同步素材應用場景，并可與非編精剪綜合應用。

由于進、出口接管的關聯(lián)性較大，因此建模時也應考慮出口接管結構對進口接管結構的影響。

建模后對分析模型進行有限元單元劃分，采用六面體單元（20節(jié)點Solid186號），該單元具有較好的計算精度，可以得到較穩(wěn)定、可信的計算結果；對重點部位進行細劃分；最后共得到600005節(jié)點，404536單元（見圖1）。

圖1 單元劃分

4.2 材料參數(shù)[1]

本文中所需材料參數(shù)均來自ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅱ卷（見表1、表2）。

表1 進、出口接管SA-508，Gr.3，CL.1

表2 螺栓SA-540，Gr.B23，CL.3

4.3 邊界約束與加載

約束邊界 本文選用整體模型的1/2，因此在對稱面施加對稱約束，同時在兩個進口接管支撐臺位置建立槽鋼形狀模擬塊以約束底面在UX、UY、UZ方向位移為零（見圖2）。支撐臺與模擬塊之間建立接觸關系（摩擦系數(shù)設為0）。

載荷 (1)內壓、螺栓預緊載荷及自重； (2)設計規(guī)格書中提供的進、出口載荷和頂蓋及筒體法蘭上所受來自堆芯的載荷； (3)出口接管內伸載荷。

圖2 模型邊界和載荷

4.4 有限元分析

（1）應力評定準則[2]

根據(jù)設計規(guī)范要求給出具體應力分類評定準則（見表3），表中Pm為總體薄膜應力；PL為局部薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Q為二次應力；Sm為設計應力強度；Sy為材料屈服極限。

表3 應力分類評定準則

（2）計算結果

由于出口接管在D級工況下補強內、外的載荷不同，因此在計算補強之外的應力強度時，需單獨建立出口接管的分析模型進行計算。

各個工況下的接管載荷、出口接管內伸載荷、頂蓋和筒體法蘭來自堆芯的載荷按照設計規(guī)格書中的規(guī)定經相應的載荷組合后進行計算 (見圖3～圖8)。

圖3 設計壓力下應力強度

圖4 A級熱量載荷下應力分布

圖5 B級熱量載荷下應力分布

圖6 SSE、LOCA載荷下應力分布

圖7 D級（A）補強外應力分布

圖8 D級（C）補強外應力分布

(3)應力結果評定

經計算分析得出應力評定結果（見圖9、表4）。

其中路徑C12、C13為在接管補強區(qū)外選取。表4各個二次應力分類數(shù)據(jù)中已經包含了熱應力的影響。

圖9 應力評定路徑

（4）總體薄膜應力的確定

在評定應力結果時，我們需要評定總體薄膜應力，但是受結構不連續(xù)和載荷的影響，某些路徑無法直接通過有限元計算結果取得該項數(shù)值，對此可以通過理論計算求得。

殼體上的總體一次薄膜應力可以通過理論公式計算得到：

其中，F(xiàn)tmax為考慮內壓，接管載荷和自重等產生的沿殼體軸向的力（由于壓力產生的環(huán)向應力為拉應力，因此假設Ftmax為壓應力，以求得數(shù)值上的最大和最小主應力），F(xiàn)vmax為切向力；在計算總體薄膜應力時，不需要考慮彎矩，而由彎矩引起的彎曲應力可以在有限元計算中得到。

表4 應力分類評定結果

在軸向剖切面上的主應力則可以通過下式計算：

環(huán)向應力主要由壓力產生，可以根據(jù)力學計算公式計算得到：

式中，P—壓力載荷（Pa）；d—接管內徑（mm）；t—接管壁厚（mm）。

取這三個主應力中最大的代數(shù)值為最大主應力，最小值為最小主應力，則總體一次薄膜應力強度為：

5 結語

（1）從以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，該反應堆壓力容器的接管結構強度滿足規(guī)范要求。

（2）本文評定內容只是全面評定工作的一部分，其它還應包含疲勞、熱棘輪、防斷裂等方面的計算與評定。

[1]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅱ卷.2004.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷.2004.