(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

0 引言

設(shè)備閘門(mén)是核電安全殼壓力邊界的重要組成部分，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間和異常運(yùn)行期間，都要保證安全殼壓力邊界部分的完整性和密封性[1]。在核電站事故工況下，設(shè)備閘門(mén)與安全殼一起形成第三層屏蔽，包容放射性物質(zhì)，是安全殼壓力邊界的重要組成部分，也是安全殼壓力邊界較薄弱的環(huán)節(jié)。同時(shí)，浮動(dòng)堆在海洋環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，主要體現(xiàn)為縱橫搖擺，對(duì)設(shè)備閘門(mén)的設(shè)計(jì)提出更為嚴(yán)苛的要求。

杜坤等[2]基于ANSYS有限元分析方案和法國(guó)RCC-M《壓水堆核電廠機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》規(guī)范理論，對(duì)核電廠設(shè)備閘門(mén)及支架部分進(jìn)行了計(jì)算分析。現(xiàn)有的研究主要針對(duì)的是陸上核電站設(shè)備閘門(mén)，對(duì)浮動(dòng)堆設(shè)備閘門(mén)的研究較少。

本文分析浮動(dòng)堆設(shè)備閘門(mén)設(shè)計(jì)載荷，并采用ANSYS數(shù)值模擬，對(duì)在設(shè)計(jì)工況下設(shè)備閘門(mén)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并與規(guī)范要求的許用值相比較，以判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，從而校核其結(jié)構(gòu)安全性。

1 載荷分析

陸上核電設(shè)備閘門(mén)設(shè)計(jì)載荷有自重、壓力、地震載荷、螺栓預(yù)緊力。與陸上核電設(shè)備閘門(mén)不同，在海洋環(huán)境條件下設(shè)備閘門(mén)需承受船體搖擺載荷、由船體碰撞或水下爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷，免受地震的影響。因此，其設(shè)計(jì)載荷為搖擺載荷、沖擊載荷、自重、壓力、螺栓預(yù)緊力。核動(dòng)力船舶與陸上核電站設(shè)備閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全分析的關(guān)鍵在于搖擺載荷與沖擊載荷的確定，其他載荷可參照陸上核電設(shè)備閘門(mén)執(zhí)行。

1.1 搖擺載荷

平臺(tái)由船體和軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置兩部分組成，船體的運(yùn)動(dòng)與軟剛臂的系泊回復(fù)力之間雙向耦合，從而決定了平臺(tái)為多體耦合模型，如圖1所示。綜合考慮海洋環(huán)境條件對(duì)船體的激勵(lì)作用，以及由軟剛臂提供的系泊回復(fù)力，船體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程[3]為：

=Fw(t)+Fwd(t)+Fc(t)+Fm(t)

(1)

式中m——船體的質(zhì)量矩陣，kg；

A(∞)——波浪頻率無(wú)窮大時(shí)船體的附加質(zhì)量矩陣，kg；

K(t)——時(shí)延函數(shù)；

C——船體的靜水回復(fù)力矩陣；

Fw(t)——波浪載荷，N；

Fwd(t)——風(fēng)載荷，N；

Fc(t)——流載荷，N；

Fm(t)——系泊回復(fù)力，N。

圖1 海洋核動(dòng)力平臺(tái)有限元模型

設(shè)備閘門(mén)在傾斜狀態(tài)下對(duì)其受力影響較小，主要考慮換料蓋在橫搖和縱搖下的影響。在考慮船舶搖擺對(duì)換料蓋的影響時(shí)，假設(shè)換料蓋為一質(zhì)點(diǎn)，搖擺的中心位于水線(xiàn)面、船舶中心線(xiàn)與船舯的交點(diǎn)處。將其運(yùn)動(dòng)函數(shù)簡(jiǎn)化為角位移函數(shù)：

(2)

(3)

換料蓋質(zhì)心與水線(xiàn)面的垂直距離z=12.8 m，距離船舶中心線(xiàn)的水平距離x=5.55 m，距離船舯的縱向距離y=4.85 m，如圖2所示。

圖2 換料蓋相對(duì)于搖擺中心位置示意

橫縱搖周期根據(jù)浮動(dòng)堆所在載體的海洋環(huán)境運(yùn)動(dòng)響應(yīng)確定，將橫搖周期為5 s時(shí)設(shè)備閘門(mén)的角位移函數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下的位移函數(shù)。將此位移函數(shù)作為位移載荷施加在換料蓋下法蘭底部，模擬正常工況下的縱橫搖載荷。

1.2 沖擊載荷

根據(jù)《浮動(dòng)核動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)中所選擇的外部事件(試行)》中對(duì)船舶碰撞、爆炸等外部事件的要求，對(duì)3個(gè)方向上的沖擊載荷采用均方根方法進(jìn)行組合。采用等效靜力的方法確定設(shè)備閘門(mén)在設(shè)計(jì)工況下的沖擊載荷為橫向、縱向和垂向沖擊譜加速度峰值均為4.5g，2.5g，1.5g，且在瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中考慮1.1倍的放大系數(shù)(動(dòng)態(tài)系數(shù))。

1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)壓

在設(shè)備閘門(mén)球面蓋板內(nèi)側(cè)面和法蘭內(nèi)側(cè)面施加0.6 MPa的內(nèi)壓。

1.4 結(jié)構(gòu)自重

結(jié)構(gòu)自重G(包括附件重量)以慣性力的方式施加在整個(gè)模型上，取值為9 810 mm/s2。

1.5 螺栓預(yù)緊力

根據(jù)實(shí)際計(jì)算得到的螺栓數(shù)目確定螺栓的預(yù)緊載荷，施加在螺栓上,單個(gè)螺栓預(yù)緊力為110 kN。

2 設(shè)備閘門(mén)應(yīng)力校核

2.1 設(shè)備閘門(mén)幾何模型

設(shè)備閘門(mén)由球面蓋板、法蘭和螺栓組成。設(shè)備閘門(mén)內(nèi)徑為4 000 mm，螺栓規(guī)格為M48，螺栓數(shù)量60個(gè)，其三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備閘門(mén)幾何模型

2.2 設(shè)備閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù)平臺(tái)設(shè)備閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)備閘門(mén)上下法蘭材料選用《D篇》[4]中的SA-738Gr.B級(jí)鋼板。根據(jù)《D篇》中表1A、表Y-1以及表TM-1可知，當(dāng)溫度為158 ℃時(shí)材料基本力學(xué)性能如表2所示。

表2 SA-738Gr.B力學(xué)性能參數(shù)

設(shè)備閘門(mén)螺栓材料選用SA-193 B7。根據(jù)《D篇》中(見(jiàn)表3)可知，當(dāng)溫度為158 ℃時(shí)材料基本力學(xué)性能。

表3 SA-193 B7力學(xué)性能參數(shù)

2.3 應(yīng)力校核準(zhǔn)則

基于《規(guī)則》[5](表NE-3221-1應(yīng)力強(qiáng)度限制一覽表)的要求，采用第三強(qiáng)度理論校核設(shè)備閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。設(shè)備閘門(mén)球面蓋、下法蘭及螺栓結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力強(qiáng)度限制如表4所示。

表4 各應(yīng)力結(jié)果對(duì)應(yīng)應(yīng)力許用值

注：Pm—總體薄膜應(yīng)力，MPa；Smc—許用應(yīng)力，取S值的1.1倍；S—最大許用應(yīng)力，MPa,查《D篇》表1A可得；PL—局部薄膜應(yīng)力，MPa；Pb—彎曲應(yīng)力，MPa；Q—二次應(yīng)力，MPa；Sml—許用應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；F—峰值應(yīng)力，MPa；Sa——由設(shè)計(jì)疲勞曲線(xiàn)獲得(評(píng)定峰值應(yīng)力)，MPa

峰值應(yīng)力的基本特征是：只是在作為可能由它引起疲勞裂紋或脆性斷裂時(shí)才有害。安全殼內(nèi)壓達(dá)到設(shè)計(jì)內(nèi)壓的次數(shù)是非常有限的，故因設(shè)計(jì)內(nèi)壓載荷引起的疲勞問(wèn)題不需要校核。查看設(shè)計(jì)疲勞曲線(xiàn)可知，在循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，Sa>1 000 MPa。

3 應(yīng)力校核結(jié)果及改進(jìn)方案

為充分驗(yàn)證設(shè)備閘門(mén)結(jié)構(gòu)的安全性，本節(jié)計(jì)算中考慮沖擊帶來(lái)的等效靜力加速度，并對(duì)垂向沖擊加速度兩個(gè)方向上分別計(jì)算、校核。

結(jié)構(gòu)中的密封墊片只作密封用，不是主要受力件，建模不予考慮，不進(jìn)行評(píng)估。

由于設(shè)備閘門(mén)受表5所示的垂向、縱向和橫向3個(gè)方向上的加速度載荷，具有1/2對(duì)稱(chēng)性，在保證計(jì)算精度的前提下，為減小計(jì)算量，采用1/2模型進(jìn)行建模。

表5 載荷施加方式

設(shè)備閘門(mén)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。計(jì)算軟件采用ANSYS 17.0，計(jì)算模型中球面蓋板、法蘭和螺栓均使用三維實(shí)體單元Solid 186；法蘭之間的接觸及螺栓與法蘭之間的接觸采用接觸單元Targe 170和Conta 174；螺栓預(yù)緊力采用Prets 179單元[6-8]。各處的摩擦系數(shù)取為0.2。

圖4 設(shè)備閘門(mén)有限元模型網(wǎng)格示意

所有載荷的施加分為2個(gè)載荷步，具體施加方式如表5所示。時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 s，計(jì)算20 s內(nèi)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

提取最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)，如圖5所示。15 s后結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，應(yīng)力校核基于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度的最大值。

圖5 結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)

設(shè)備閘門(mén)及螺栓結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力強(qiáng)度滿(mǎn)足《規(guī)則》相關(guān)要求，但球面蓋與下法蘭呈分離的趨勢(shì)，密封面截面發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)[9]，密封圈處y軸方向上位移差約為0.2 mm。

P01～P03代表所取的應(yīng)力路徑[10]，分離出一次總體薄膜應(yīng)力Pm、彎曲應(yīng)力PL+Pb、二次應(yīng)力PL+Pb+Q，球面蓋、法蘭及螺栓應(yīng)力分類(lèi)評(píng)定如表6所示，應(yīng)力強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖6～10。

表6 球面蓋、下法蘭及螺栓應(yīng)力分類(lèi)評(píng)定

圖6 下法蘭及球面蓋應(yīng)力云圖

圖7 球面蓋應(yīng)力云圖

圖8 球面蓋應(yīng)力線(xiàn)性化路徑P01

圖9 下法蘭應(yīng)力線(xiàn)性化路徑P02

圖10 螺栓應(yīng)力線(xiàn)性化路徑P03

4 結(jié)論

(1)對(duì)海洋環(huán)境下浮動(dòng)堆設(shè)備閘門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析，并結(jié)合海洋環(huán)境條件分析設(shè)備所受慣性載荷，同時(shí)結(jié)合設(shè)備閘門(mén)外部沖擊載荷、自重和設(shè)計(jì)壓力，對(duì)設(shè)備閘門(mén)整體進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并根據(jù)ASME分析法設(shè)計(jì)要求進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)滿(mǎn)足事故工況要求。

(2)針對(duì)海洋環(huán)境下浮動(dòng)堆特有的慣性載荷提出簡(jiǎn)化計(jì)算方法，為實(shí)際核電工程項(xiàng)目設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。

(3)由于空間限制，浮動(dòng)堆設(shè)備閘門(mén)設(shè)置在安全殼外部，事故工況下受內(nèi)壓作用，雖然免除了屈曲校核，但設(shè)備閘門(mén)在內(nèi)壓狀況下法蘭面是趨于分離的，法蘭截面有明顯的扭轉(zhuǎn)，因此在設(shè)計(jì)內(nèi)壓設(shè)備閘門(mén)時(shí)，在結(jié)構(gòu)安全分析的基礎(chǔ)上，密封性能的分析也是不容忽視的。