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        蒸汽發(fā)生器人孔在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力計(jì)算

        2014-05-15 11:36:40趙文清
        壓力容器 2014年4期
        關(guān)鍵詞:筒體模型設(shè)計(jì)

        趙文清

        (中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518124)

        0 引言

        核電核島主設(shè)備的蒸汽發(fā)生器與穩(wěn)壓器的一次側(cè)人孔、二次側(cè)人孔、手孔、法蘭連接的人孔部分在設(shè)計(jì)工況、擾動(dòng)工況、事故工況、緊急工況、實(shí)驗(yàn)工況的應(yīng)力分析和計(jì)算方法,無論在二代核電CPR1000還是在三代核電AP1000和EPR都一致。選用分析對象為CPR1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器的人孔及其相關(guān)部分,包括人孔、蓋板、嵌板、墊圈、螺栓、筒體的一部分,對其設(shè)計(jì)工況應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行研究并將其計(jì)算方法推廣應(yīng)用于其他工況和密封設(shè)計(jì)計(jì)算。

        蒸汽發(fā)生器人孔通常受到螺栓對它的預(yù)緊力、內(nèi)部壓力和溫度變化引起的載荷,以及其他載荷引起的附加載荷的作用。

        1 應(yīng)力計(jì)算

        1.1 應(yīng)力計(jì)算方法

        通常,人孔應(yīng)力分析計(jì)算選用通用或?qū)I(yè)有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,第一種方法,對人孔組件采用3D實(shí)體建模,對螺栓施加預(yù)緊力單元加載螺栓密封設(shè)備所需的預(yù)緊力,對人孔內(nèi)部施加壓力以及由溫度變化引起的相應(yīng)載荷計(jì)算應(yīng)力和疲勞因子;第二種方法,對人孔組件采用2D軸對稱建模,材料和模型作等效化處理,對螺栓施加預(yù)緊力單元加載螺栓密封設(shè)備所需的預(yù)緊力,對人孔內(nèi)部施加壓力以及由溫度變化引起的相應(yīng)載荷計(jì)算應(yīng)力和疲勞因子;第三種方法,對人孔組件采用2D軸對稱建模,材料和模型作等效化處理,采用原始螺釘施加的載荷數(shù)據(jù)S(拉力)、M(彎矩)和H(剪力),對人孔內(nèi)部施加壓力以及由溫度變化引起的相應(yīng)載荷計(jì)算應(yīng)力和疲勞因子,其中,S,M,H為螺栓密封設(shè)備所需的預(yù)緊力以及核電站運(yùn)行時(shí)因蒸汽發(fā)生器內(nèi)部壓力和溫度變化引起載荷的組合載荷,作用于螺釘?shù)腟,M,H載荷,可通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊提供的解析公式算出,或用專業(yè)軟件編制的程序通過螺釘力算出[1]。

        國內(nèi)外核電業(yè)界通常對人孔組件采用2D軸對稱建模,材料和模型作等效化處理,采用螺釘施加的載荷S,M和 H,對人孔內(nèi)部施加壓力以及由溫度變化引起的相應(yīng)載荷計(jì)算其應(yīng)力和疲勞因子,但其對計(jì)算方法沒有作必要的描述,螺釘預(yù)緊力的提取和施加也缺乏必要的表述,計(jì)算單元的選取交代不明,其應(yīng)力計(jì)算方法無法被反求和應(yīng)用。

        文中計(jì)算部分采用第三種方法,選ANSYS軟件用軸對稱模型 Plane 25諧單元,即 axi-h(huán)ar 4node 25,對人孔進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力分析;S,M,H選用CPR1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)嶺澳二期核電站提供的設(shè)計(jì)工況下的原始載荷數(shù)據(jù),并對其原始載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理[2],且依據(jù)RCC-M規(guī)范[1]對其設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評定。諧單元軸對稱模型,將非對稱載荷加載于軸對稱模型計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果比實(shí)體全模型計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果保守[3-5],易于進(jìn)行應(yīng)力評定,應(yīng)力評定符合RCC-M規(guī)范要求[1]。

        1.2 有限元模型和材料屬性

        人孔采用軸對稱模型,模型包括人孔蓋板、人孔法蘭、筒體部分、簡化螺栓、墊圈和嵌板部分。按圖1建立了人孔計(jì)算模型。

        圖1 人孔應(yīng)力計(jì)算建模尺寸圖

        由于筒體是圓柱殼,軸對稱模型分析中將圓柱殼等效為球殼,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并保守來考慮,其等效球殼的半徑是圓柱殼體半徑的2.55倍,厚度不變,即 Rsph=2.55Rcyl,可求得 Rsph=5461.08 mm。殼體取其長度(R為筒體平均半徑,t為筒體厚度),以便消除筒體邊緣處應(yīng)力分布對人孔法蘭處應(yīng)力分布的影響,計(jì)算可得L≥1793.09 mm,案例截取殼體與y軸的交角α=23°(見圖1)得到弧長模型。

        人孔蓋板和法蘭處有20個(gè)螺栓孔,導(dǎo)致人孔蓋板和法蘭結(jié)構(gòu)周向不對稱,文中將蓋板和法蘭等效為實(shí)體,并引入等效的楊氏模量來考慮螺栓孔對人孔蓋板和法蘭結(jié)構(gòu)剛度的削弱作用,并將20個(gè)螺栓等效為等厚度的軸對稱體,根據(jù)面積相等原理,即20個(gè)螺栓的面積和等厚度的軸對稱體的面積相等,得到:已知 D=28 mm,d=6.2 mm,R=281 mm,軸對稱體的厚度e=6.63 mm。

        考慮人孔蓋板和法蘭的螺栓孔影響,引入等效楊氏模量:

        式中 E——楊氏模量

        S*——S*=S-ns

        n——螺栓數(shù)量

        s——螺栓孔或法蘭螺紋孔面積

        S——E*面積

        人孔蓋板:

        其中,D 為螺栓孔直徑,D=36.5 mm,Rm為螺栓孔軸半徑,Rm=281 mm,Re=Rm+D=317.5 mm,Ri=Rm-D=244.5 mm,因?yàn)?Re大于蓋板外部半徑,所以Re=317.375 mm。代入式(1)得:

        人孔法蘭:

        其中,d為螺栓直徑,d=33 mm,Rm為法蘭螺紋軸半徑,Rm=281 mm,Re=Rm+d=314 mm,Ri=Rm-d=248 mm。這個(gè)區(qū)域高度(76 mm)就是法蘭螺紋深度。代入式(1)得:

        由式(2)和(3)[3]可知,等效彈性模量 E*比實(shí)際彈性模量E小。在設(shè)計(jì)工況下,根據(jù)RCCM規(guī)范[1],在設(shè)計(jì)溫度T=316℃下,各部分采用的材料如下:筒體、人孔、人孔蓋板材料為18MND5,彈性模量 E=183400 MPa,泊松比 μ=0.3,基本許用應(yīng)力強(qiáng)度 Sm=200 MPa;螺栓材料為42CDV4,彈性模量 E=183400 MPa,泊松比μ=0.3,基本許用應(yīng)力強(qiáng)度Sm=208 MPa;人孔嵌板材料為Z2CN19.10,彈性模量E=175060 MPa,泊松比μ=0.3,蓋板和法蘭有螺栓孔的地區(qū),得考慮等效材料參數(shù)[3],基本許用應(yīng)力強(qiáng)度 Sm=200 MPa;蓋板:彈性模量 E=183400×0.837=153505.8 MPa,泊松比 μ =0.3;法蘭:彈性模量E=183400 ×0.853=156440.2 MPa,泊松比 μ =0.3;墊圈材料為不銹鋼膨脹石墨,取彈性模量E=1200 MPa,泊松比 μ =0.3。

        文中采用軸對稱4節(jié)點(diǎn)Plane 25諧單元。Plane 25諧單元采用了FOURIER方法在軸對稱模型上加載非軸對稱載荷。FOURIER方法將S,M和H處理為在軸對稱模型上加載非軸對稱載荷[1]。圖2示出人孔應(yīng)力分析有限元模型局部放大圖。

        圖2 人孔應(yīng)力分析有限元模型局部放大示意

        1.3 載荷和邊界條件

        在設(shè)計(jì)溫度T為316℃時(shí),蓋板中心軸施加位移約束UX=0;插入件與法蘭接觸中點(diǎn)施加沿UY的節(jié)點(diǎn)約束,以使插入件與法蘭接觸中點(diǎn)不可發(fā)生相對位移,但可圍繞接觸中點(diǎn)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng),密封墊片右端部分產(chǎn)生的相對應(yīng)變?yōu)?.036。

        圖3 人孔在設(shè)計(jì)工況下的載荷和邊界條件

        在設(shè)計(jì)工況下,螺釘施加載荷S,M和H分別為2.5507 ×106N,7.08951 ×106mm·N,0.20835×106N。在筒體、人孔法蘭與蓋板的內(nèi)壁上施加設(shè)計(jì)壓力為8.5 MPa[1]。載荷和邊界條件見圖3。

        1.4 評定截面

        共評定了11個(gè)截面,其中包括人孔的蓋板區(qū)域、螺栓孔區(qū)域、人孔與筒體區(qū)域,具體位置如圖4,5 所示。

        圖4 人孔蓋板評定截面圖(SECT 1~5)

        圖5 人孔法蘭評定截面圖(SECT 6~11)

        1.5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力評定

        在設(shè)計(jì)工況下,人孔在載荷和邊界條件(見圖3)的作用下,計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度等值線見圖6,7。圖6和圖7及其11個(gè)截面計(jì)算結(jié)果見表1。

        圖6 人孔蓋板在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力圖

        圖7 人孔法蘭在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力圖

        表1 設(shè)計(jì)工況下薄膜應(yīng)力、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力

        由于等效彈性模量E*比實(shí)際彈性模量E小,在線彈性范圍內(nèi),彈性模量值變小,計(jì)算出的應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)變小,因此表1中的計(jì)算結(jié)果已進(jìn)行過折算[3],從而其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力評定不失保守性。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與嶺澳二期核電站現(xiàn)場法蘭實(shí)測數(shù)據(jù)吻合[2],驗(yàn)證了應(yīng)力計(jì)算方法有效性和計(jì)算結(jié)果的合理性。

        在表1橫截面中,薄膜應(yīng)力、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力內(nèi)、外表面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果已進(jìn)行過折算[3],對截面1~11計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評定,據(jù)RCC-M規(guī)范,因許用應(yīng)力強(qiáng)度 Sm=200 MPa,且Pm≤Sm=200 MPa;PL≤1.5Sm=300 MPa;Pm+Pb≤1.5Sm=300 MPa[3],因此,由表 1 可知,人孔組件計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度符合RCC-M規(guī)范[1]要求。

        2 結(jié)論

        應(yīng)用諧單元軸對稱模型,將非對稱載荷加載于軸對稱模型,人孔蓋板螺栓孔區(qū)域、法蘭結(jié)構(gòu)螺栓孔區(qū)域采用等效彈性模量和等效泊松比簡化模型,對蒸汽發(fā)生器人孔進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和應(yīng)力評定,應(yīng)力計(jì)算模型簡化,應(yīng)力計(jì)算結(jié)果保守,應(yīng)力評定符合RCC-M規(guī)范要求。應(yīng)力計(jì)算方法不僅適合蒸汽發(fā)生器人孔設(shè)計(jì)工況的應(yīng)力計(jì)算和應(yīng)力評定,也可推廣應(yīng)用于其他工況的人孔應(yīng)力計(jì)算和評定及其密封設(shè)計(jì)計(jì)算。

        [1] RCC-M(2000版及2002補(bǔ)遺),Design and Construction Rules for Mechanical Components of PWR Nuclear Islands[S].

        [2] 蒸汽發(fā)生器設(shè)備規(guī)格書 Steam Generator Equipment Specification NPC-44300-GG -01 REV.C[Z].深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,2008.

        [3] SLOT T,DONNELL W J O.Effective Elastic Constants for Thick Perforated Plates with Square and Triangular Penetration Patterns[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,1971,93(4):935 -942.

        [4] 王家祥,武艷芳,李健偉,等.轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及改進(jìn)設(shè)想[J].化工設(shè)備與管道,2013,50(3):32 -35.

        [5] 楊正桓,羅飛華,王旭,等.螺紋鑲套技術(shù)在蒸汽發(fā)生器上的應(yīng)用[J].壓力容器,2013,30(9):71-74.

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