劉偉東,付 濤,袁 寧,元世海,季敏東
(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室,四川 成都 611731;2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)
美國ASME規(guī)范是現(xiàn)今世界公認的技術(shù)內(nèi)容最完整、技術(shù)最先進、應(yīng)用最廣泛的動力鍋爐及壓力容器綜合標準體系。包括了從設(shè)計、材料、制造和檢驗、在役檢查等非常全面的動力鍋爐及壓力容器建造內(nèi)容。ASME規(guī)范第Ⅲ卷為專門針對核安全設(shè)施部件建造所編制的規(guī)范。所涉及的技術(shù)、理論是非常復(fù)雜,但卻又是技術(shù)、理論最先進的。眾所周知,核安全設(shè)備若出現(xiàn)設(shè)計問題,其對公眾、環(huán)境、經(jīng)濟、社會的影響是無法估量的。本文以某核1級壓力容器設(shè)備為例,對按ASME規(guī)范2019版第Ⅲ卷NB分卷設(shè)計的容器的應(yīng)力分析進行深入的闡述,目的在于能給核安全設(shè)備設(shè)計者提供一些參考。
該容器用于存放具有強放射性的介質(zhì),其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,主要部件為左右封頭、筒體、4件接管及人孔組件,通過雙鞍座支承,一個為滑動鞍座,一個為固定鞍座(見圖1)。設(shè)備筒體、封頭名義厚度均為26 mm,鞍座墊板厚度為26 mm,鞍座其余零部件厚度均為16 mm,封頭、筒體、鞍座的材料均為SA-516M Gr.485,接管材料為SA-106M Gr.C,人孔座的材料為SA-105M。
圖1 某核1級容器簡圖
1)規(guī)范等級。容器為1級部件,支承為1級支承。設(shè)計和分析須滿足NB- 3000和NF- 3000的要求。
2)設(shè)計、運行和試驗載荷。設(shè)計載荷:設(shè)計壓力為1.0 MPa;設(shè)計溫度為100℃。運行載荷:運行壓力為0.7 MPa;運行溫度為70℃。
3)接管上的管道載荷。接管上的管道載荷如表1所示。
表1 接管上的管道載荷
4)試驗載荷。容器完成后須進行水壓試驗。試驗時,容器應(yīng)考慮滿水載荷。
5)地震載荷。地震加速度水平方向:DBE:0.2 g,SSE:0.4 g,沿X軸 (見圖1)。除上述載荷外,不考慮其他機械載荷。
材料的彈性模量:E=2.02×105MPa (試驗溫度);E=1.98×105MPa(設(shè)計溫度),其余屬性如表2所示。
表2 材料屬性
容器按ASME NB分卷設(shè)計,而NB分卷為以應(yīng)力分析為主的規(guī)范,對于結(jié)構(gòu)設(shè)計采用ASME NB分卷的規(guī)則公式進行試算,最終采用應(yīng)力分析的方法進行驗證。故對結(jié)構(gòu)設(shè)計不作過多的闡述,可以參照NB-3000章筒體、封頭等相關(guān)規(guī)則公式進行容器的主要承力部件材料規(guī)格初步確定。
對于鞍式支座的設(shè)計,可參考行業(yè)標準或者相關(guān)參考書(比如文獻[6])進行。對于人孔法蘭螺栓連接件的強度設(shè)計按ASME規(guī)范第Ⅲ卷附錄Ⅺ。后續(xù)按ASME規(guī)范整個設(shè)備進行應(yīng)力分析。
根據(jù)ASME NB分卷及容器設(shè)計規(guī)格書規(guī)定,須進行6個工況計算分析,分別為設(shè)計工況、A、B、C、D級工況和試驗工況。
為得到更準確的應(yīng)力分布,計算采用整體模型、幾何模型及網(wǎng)格(見圖2和圖3)。網(wǎng)格采用以六面體為主的網(wǎng)格劃分,有限元模型最終單元數(shù)為4 476 116,節(jié)點數(shù)為2 128 520。
圖2 整體幾何模型 圖3 模型網(wǎng)格
載荷組合及工況如表3所示。
固定鞍座:△X=0,△Y=0,△Z=0。
滑動鞍座:△X=Free,△Y=0,△Z=0。
4.3.1 設(shè)計工況
設(shè)計壓力:1.0 MPa,自重加速度:9.806 mm/s2,由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力如表4所示,接管上的管道載荷如表1所示。考慮由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力公式:P等效=-PDi2/(Do2-Di2),其中P為內(nèi)壓,Di為接管內(nèi)徑,Do為接管外徑,“-”表示拉伸載荷。
表4 各種工況下接管等效軸向應(yīng)力 單位:MPa
4.3.2 A、B、C、D級工況
A、B、C級工況設(shè)計壓力:均為0.7 MPa,D級工況設(shè)計壓力:1.0 MPa,自重加速度均為:9.806 mm/s2。各工況下由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力如表4所示。同時,考慮最高水位線差生的液體壓力。B級工況需要考慮0.2 g的地震加速度,C、D級工況需要考慮0.4 g的地震加速度。
4.3.3 水壓工況
水壓工況下,內(nèi)壓為1.3 MPa,自重加速度均為:9.806 mm/s2。同時,考慮容器滿水產(chǎn)生的液體壓力。由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力如表4所示。
4.4.1 應(yīng)力線性化路徑
結(jié)合ASME規(guī)范及設(shè)備的實際情況,設(shè)備的總體和局部應(yīng)力線性化路徑分別如圖4~11所示。
圖4 筒體和封頭 圖5 人孔
圖6 接管1、接管2 圖7 接管3
圖8 接管4 圖9 支座
4.4.2 應(yīng)力限制條件
應(yīng)力限制條件如表5所示。
表5 應(yīng)力限制條件
各工況下,設(shè)備總體應(yīng)力云圖,分別如圖12~17所示。
圖12 設(shè)計工況 圖13 A級工況
圖14 B級工況 圖15 C級工況
圖16 D級工況 圖17 水壓試驗工況
從各工況的應(yīng)力云圖可知,最大應(yīng)力節(jié)點均位于人孔和封頭連接處,此處結(jié)構(gòu)不連續(xù),且結(jié)構(gòu)尺寸突變趨勢最大。
限于篇幅,本文不列出結(jié)果,最終所有路徑的應(yīng)力分類均滿足規(guī)范中限制條件的要求。
對于鞍式支座,在ASME規(guī)范上沒有相關(guān)屈曲分析的方法。本文采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模塊進行分析,將支座承受的最大支承載荷(設(shè)備滿水和地震,垂直最大荷載為21.21 kN,水平最大荷載為8.484 kN)施加于支座上,求解得到其臨界屈曲因子,并根據(jù)ANSYS屈曲計算理論,臨界屈曲因子大于1,則合格。計算結(jié)果如圖18~19所示。其1、2階屈曲因子均大于1,可知屈曲分析合格。
圖18 1階屈曲計算 圖19 2階屈曲計算
根據(jù)ASME-NCA-4000章(2019版)及對應(yīng)的NQA-1 PART Ⅱ等章節(jié)對計算機程序的要求,若不能滿足規(guī)范中這些章節(jié)規(guī)定的計算機程序開發(fā)質(zhì)保要求,可采用每次驗證設(shè)計分析結(jié)果對應(yīng)力結(jié)果進行驗證,以保證計算機程序的使用滿足ASME規(guī)范要求。
通常,可通過文獻查找相關(guān)一次、二次應(yīng)力計算的解析解來對計算結(jié)果進行驗證,如文獻[6]中橢圓封頭的應(yīng)力計算公式。對于接管局部應(yīng)力,可用WRC公報或EN13445等中的解析解進行驗證。
本文以按ASME-NB分卷設(shè)計的壓力容器為例,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、疲勞設(shè)計及應(yīng)力分析等方面進行了論述,可為按ASME規(guī)范第Ⅲ卷開展壓力容器分析設(shè)計的工作者提供借鑒,主要有以下幾方面。
1)按ASME-NB分卷開展應(yīng)力分析的應(yīng)力限制條件的確定。
2)文中壓力容器的應(yīng)力線性化路徑可供類似壓力容器的線性化路徑選取參考。
3)對于無規(guī)范或行業(yè)標準規(guī)定的屈曲分析,可考慮采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模塊開展屈曲分析。
4)對于應(yīng)力結(jié)果的解析驗證,可從文獻、WRC公報、EN13445等處查找相關(guān)解析解進行驗證。