蘇喜平 宋晶如 殷通 謝季佳 葉璇 劉小明

CFR600堆芯組件自由跌落試驗的沖擊響應(yīng)分析

蘇喜平1宋晶如2殷通1謝季佳2葉璇2劉小明2

（1 中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2 中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性國家重點實驗室，北京 102413）

評估堆芯組件跌落對組件結(jié)構(gòu)完整性和內(nèi)部元件密封性的影響是組件安全評價的重要組成。本文針對CFR600堆芯組件在換料運輸過程中可能發(fā)生的組件跌落事件，開展了堆芯組件模擬件堆外沖擊力學(xué)試驗和數(shù)值模擬分析。研究對比了組件模擬件分別從不同高度自由跌落的試驗和模擬結(jié)果，分析了組件在沖擊載荷作用下的加速度和應(yīng)變響應(yīng)時程，結(jié)果表明，應(yīng)變波形沿組件截面從上到下逐漸由正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?。?dāng)?shù)涓叨冗_到1500mm時，組件管腳位置發(fā)生了較大的局部塑性變形，此后跌落高度增加，加速度峰值開始減小。

堆芯組件模擬件；自由跌落試驗；有限元數(shù)值模擬；沖擊響應(yīng)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展，能源需求也日益增長，核能作為綠色、經(jīng)濟、安全的清潔能源，是人類最具希望的未來能源之一，在我國能源供應(yīng)中占有重要地位。CFR600示范快堆為第四代核電技術(shù)中的鈉冷快中子增殖反應(yīng)堆，在我國核能事業(yè)“熱堆—快堆—聚變堆”三步走發(fā)展規(guī)劃中起到承上啟下的關(guān)鍵作用[1]。作為新的堆型，組件的安全評價是核安全審評的重要內(nèi)容之一。堆芯組件在安裝、換料和運輸過程中具有潛在的跌落風(fēng)險，這會導(dǎo)致內(nèi)部元件棒的機械損壞，從而可能導(dǎo)致放射性元素污染環(huán)境[2]。因此，堆芯組件跌落的沖擊分析尤為重要。

針對組件跌落事件的沖擊問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了相應(yīng)的研究[2-10]。Petkevich等[2]進行了燃料組件的跌落試驗和數(shù)值模擬，分析對比了自由跌落沖擊下的應(yīng)變和加速度響應(yīng)時程。方健等[3]基于LS-DYNA 非線性動力分析程序研究了跌落末端的沖擊過程。錢浩等[4]對乏燃料貯存格架進行了多種工況的跌落事故沖擊非線性分析，并通過跌落沖擊試驗進行了驗證。張萬平等[6]分析了30萬千瓦壓水堆核電廠中的乏燃料貯存格架在組件跌落事故中的沖擊問題。Wit等[7]對沸水堆燃料組件跌落事件進行了分析。馮少東等[8]開展了堆芯跌落事故下反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的功能性評定。聶君鋒等[10]研究了殼體容器跌落事故的相似試驗設(shè)計，并進行了有限元分析。

本文針對CFR600堆芯組件在換料運輸過程中可能發(fā)生的組件跌落事件，開展了堆芯組件模擬件堆外沖擊力學(xué)試驗。將全尺寸組件模擬件提升到不同的指定高度進行自由跌落試驗，通過試驗?zāi)M組件安裝、換料和轉(zhuǎn)運過程中的意外跌落現(xiàn)象，包括跌落高度和跌落姿態(tài)，研究組件模擬件的加速度和應(yīng)變狀態(tài)。同時，采用有限元軟件進行試驗工況下的數(shù)值模擬，通過分析試驗和模擬結(jié)果，探索堆芯組件的沖擊力學(xué)行為，為組件在安全運輸和安裝過程中的結(jié)構(gòu)可靠性評判提供依據(jù)。

1 自由跌落試驗

1.1 試驗介紹

跌落試驗在沖擊試驗臺架上進行，試驗件為用全尺寸的CFR600堆芯組件模擬件，其主要結(jié)構(gòu)從上到下分別為操作頭、上凸臺、外套管、焊縫、下過渡接頭、管腳，如圖1所示。組件材料為CN1515，該材料以及組件外形尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)皆與真實堆芯組件一致，能夠模擬真實堆芯組件的剛度特性和質(zhì)量特性。

圖1 堆芯組件模型圖

整個試驗裝置包括：沖擊試驗臺架、變頻器與卷揚機、組件抓手、翻轉(zhuǎn)裝置、沖擊靶臺等，并架設(shè)高速攝像機記錄組件下端管腳位置的跌落過程圖像。試驗現(xiàn)場示意圖見圖2，卷揚機通過鋼纜連接組件抓手，抓住組件模擬件的頂部操作頭（見圖1），使組件處于豎直狀態(tài)（圖1中管腳位置朝下），管腳底部與沖擊靶臺之間的距離為跌落高度。沖擊試驗臺架最大高度20m，允許跌落的最大高度17m，目標(biāo)沖擊靶臺為尺寸1560×580×340mm（長×寬×高）的鋼塊。試驗時抓手從指定高度突然釋放，使組件模擬件自由跌落，組件管腳位置與沖擊靶臺發(fā)生碰撞。跌落高度分別選取0～200mm高度段（步長50mm）和500～2000mm高度段（步長500mm）。

圖2 組件自由跌落試驗現(xiàn)場示意圖

1.2 試驗結(jié)果

1.2.1加速度響應(yīng)

試驗采用高頻ICP沖擊加速度計，每個量程10000g，分別布置在組件上凸臺處（2-2）和管腳位置（1-1），如圖3所示。跌落高度200mm、1000mm、1500mm和2000mm的加速度響應(yīng)時程如圖4所示。加速度計安裝在組件的外表面，用管箍裹緊（502膠粘結(jié)加固），測量沿組件軸向的加速度。為了加速度計支架安裝固定在組件的合適位置，上凸臺處的加速度計安裝后方向朝向組件下端，管腳處的加速度計安裝后方向朝向組件頂端。因此，上凸臺處的第一峰值加速度為負值，管腳處的第一峰值加速度為正值。組件自由跌落與沖擊靶臺發(fā)生碰撞后，應(yīng)力波首先到達管腳位置，然后傳遞到上凸臺處，因而管腳處加速度先達到峰值，同時由于管腳處加速度計距離沖擊位置最近，該位置的加速度要高于上凸臺處。

不同跌落高度對應(yīng)不同的落地速度，跌落高度200mm、500mm、1000mm、1500mm和2000mm分別對應(yīng)落地速度為2.00m/s、3.31m/s、4.43m/s、5.42m/s和6.26m/s，試驗得到的第一峰值加速度見圖5。

圖3 加速度測點位置圖

圖4 自由跌落試驗的加速度響應(yīng)時程

圖5 第一峰值加速度與跌落高度和落地速度的關(guān)系

可見，對于上凸臺位置，碰撞加速度的數(shù)值（絕對值）隨跌落高度/落地速度的增加而增大；對于管腳位置，當(dāng)?shù)涓叨炔怀^1500mm時，碰撞加速度隨跌落高度/落地速度的增加而增大，而當(dāng)?shù)涓叨瘸^1500mm時，加速度峰值開始減小。這是由于，從現(xiàn)場試驗及高速相機采集到的圖像中可以看到，當(dāng)?shù)涓叨冗_到1500mm時，組件管腳位置發(fā)生了較大的局部塑性變形。這在后面章節(jié)的尾端孔變形量分析中也得到了驗證。

1.2.2 應(yīng)變響應(yīng)

應(yīng)變測點布置在組件上沿軸向分布的7個截面，分別以A、B、C、D、E、F、G截面表示，如圖6所示。其中，A～E這5個截面分布在六角管上，其中，C和D截面分布在焊縫兩側(cè)。每個截面3個角度上，120°分布測點，每個測點沿軸向和橫向各布置1個應(yīng)變片，采集軸向、橫向應(yīng)變。F和G截面為管腳處尾端孔所在截面，每個截面沿周向分布有6個尾端孔，在兩個尾端孔中間布置一個軸向應(yīng)變片，間隔分布，每個截面布置3個應(yīng)變片。

圖7～圖9所示分別為在跌落高度200mm、1000mm和2000mm試驗時各截面的軸向應(yīng)變響應(yīng)時程。可以看到，軸向應(yīng)變波形以壓縮波為主，同一截面不同六角管面(1/3/5)的應(yīng)變波形基本相同，尤其是壓縮波峰值幾乎一致。隨著跌落高度的增加，截面從上到下（從截面A到G），波形逐漸向方波靠攏。隨著跌落高度的增加，應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)?shù)涓叨葹?000mm時，最大峰值應(yīng)變達到2160.23με。

圖7 跌落高度200mm自由跌落試驗的軸向應(yīng)變響應(yīng)時程

圖8 跌落高度1000mm自由跌落試驗的軸向應(yīng)變響應(yīng)時程

從不同跌落高度試驗的峰值應(yīng)變結(jié)果可以看到，對于同一個六角管面，從截面A到截面C，應(yīng)變基本呈現(xiàn)出增大的趨勢，而到截面D和截面E，應(yīng)變出現(xiàn)明顯減小，截面F和截面G的應(yīng)變再次增大。

截面C和截面D分別位于六角管上焊縫的兩側(cè)（見圖6的應(yīng)變測點位置圖），截面C位于焊縫上部外套管處，截面D位于焊縫下部下過渡接頭處，這兩部分的材料都與真實堆芯組件一致，為CN1515。兩個截面處的材料相同，而應(yīng)變有明顯變化，這與組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。組件內(nèi)部在焊縫兩側(cè)為錐形過渡，組件管腳位置發(fā)生碰撞后，應(yīng)力波從截面D到截面C傳遞的過程中，由于組件六角管的橫截面變小，應(yīng)力波反射，使得截面C的應(yīng)變大于截面D。同樣的，位于管腳位置的截面F和截面G，雖然截面G更接近沖擊源，但是由于組件管腳的橫截面在該處發(fā)生變化，使得截面G的應(yīng)變反而小于截面F。

1.2.3 變形量分析

組件尾端共有四排尾端孔，上面三排為小孔，最下面一排為大孔，每排沿周向分布6個孔。最下面一排尾端孔孔徑、孔間距測量結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看到，當(dāng)?shù)涓叨葹?500mm時，尾端孔出現(xiàn)較大變形。

2 自由跌落模擬

根據(jù)組件自由跌落試驗的實際工況，在Abaqus/Explicit中建立相應(yīng)的全尺寸有限元模型，進行組件自由跌落的沖擊分析，其幾何模型如圖11(a)所示。模型包含組件模擬件和沖擊靶臺，其中，組件采用128162個C3D10M 單元和22980個C3D8R單元，沖擊靶臺采用61864個C3D8R單元，滿足網(wǎng)格收斂性要求。六角管材料為CN-1515（冷加工態(tài)），其彈性模量為162GPa，管腳材料為CN-1515（固溶態(tài)），其彈性模量為149GPa，兩種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖11(b)所示。在模擬過程中，約束靶臺底部四角z(3)方向位移，利用通用接觸（法向硬接觸、切向摩擦系數(shù)0.2）模擬組件管腳底部與靶臺之間的接觸相互作用。之后基于該模型計算組件模擬件從200mm、500mm、1000mm、1500mm和2000mm高自由跌落的響應(yīng)。

圖9 跌落高度2000mm自由跌落試驗的軸向應(yīng)變響應(yīng)時程

圖10 尾端孔變形量

通過有限元模擬獲得了組件在自由跌落過程中截面A、B、E和G的應(yīng)變響應(yīng)，如圖12所示。

從截面A到G，應(yīng)變波形由正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，與試驗結(jié)果接近。應(yīng)變峰值上與試驗結(jié)果有一定出入，其原因由于試驗中的組件模擬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在有限元模擬過程中將該部分質(zhì)量附加在外套管上作為等效，與真實工況有一定偏差。隨著跌落高度增加，截面G的應(yīng)變由方波狀轉(zhuǎn)為梯形狀主要是因為受G截面局部塑性變形不斷增加的影響。

通過跌落分析，組件上最大塑性應(yīng)變與跌落高度的關(guān)系見圖13。圖13中所示空心點的跌落高度分別為200mm、500mm、1000mm、1500mm和2000mm。當(dāng)?shù)涓叨却笥?500mm時，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象。

圖13中云圖所示為不同跌落高度工況下最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)的位置。可以看到，該位置為管腳螺紋處，這與實際試驗過程中觀測到的變形鼓包位置一致。

圖11 a) 組件跌落的有限元模型；b)組件兩種材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖12 組件自由跌落有限元模擬的應(yīng)變響應(yīng)時程

圖13 最大塑性應(yīng)變隨跌落高度的變化

圖14 組件自由跌落試驗與模擬的加速度響應(yīng)時程對比

3 試驗與模擬對比

組件自由跌落工況下，試驗測量加速度結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果對比顯示，兩者在第一加速度峰值上基本接近，如圖14所示。

4 結(jié)論

針對CFR600堆芯組件可能發(fā)生的組件意外跌落事件，開展了跌落高度0～2000mm的組件模擬件自由跌落試驗。通過分析試驗和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變波形沿組件截面從上到下逐漸由正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?。?dāng)?shù)涓叨冗_到1500mm時，組件管腳位置發(fā)生了較大的局部塑性變形，此后跌落高度增加，加速度峰值開始減小。通過有限元模擬分析最大塑性應(yīng)變推測出塑性局部化發(fā)生的位置和跌落高度，為組件跌落的結(jié)構(gòu)可靠性分析提供評判依據(jù)。

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Impact Analysis of Free-drop Test for CFR600 Core Assembly

SU Xi-ping1SONG Jing-ru2YIN Tong1XIE Ji-jia2YE Xuan2LIU Xiao-ming2

（1 China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China，2 Key Lab.of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 102413, China）

Evaluating the influence of core assembly drop on the structural integrity and internal rod sealing is an important component of assembly security appraisal.In this paper, the impact test outside the reactor and numerical simulation analysis of analog core assembly were performed for the accidental drops during refueling and transportation.The results of the free-drop test and simulation from different heights were studied and compared for the analog assembly, and the acceleration and strain response time history under impact loading were also analyzed.It was found that the strain waveform gradually changed from a sine wave to a square wave from top to bottom along the assembly section.When the drop height reached 1500mm, a large local plastic deformation occurred in the position of the assembly pin.After that, the drop height increased and the peak acceleration started to decrease.

Analog core assembly; free-drop test; finite element simulation; impact response

TB332

A

1006-3919(2021)03-0028-08

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.03.005

2021-01-16

2020-04-15

蘇喜平（1982—），男，高級工程師，碩士，研究方向：快堆堆芯組件設(shè)計；（102413）北京275信箱95分箱.