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        ASME-NB規(guī)范級(jí)容器的應(yīng)力分析探討

        2022-02-28 07:42:14劉偉東元世海季敏東
        技術(shù)與市場(chǎng) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:鞍座內(nèi)壓封頭

        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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731;2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)

        0 引言

        美國(guó)ASME規(guī)范是現(xiàn)今世界公認(rèn)的技術(shù)內(nèi)容最完整、技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力鍋爐及壓力容器綜合標(biāo)準(zhǔn)體系。包括了從設(shè)計(jì)、材料、制造和檢驗(yàn)、在役檢查等非常全面的動(dòng)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(duì)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(jìn)的。眾所周知,核安全設(shè)備若出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題,其對(duì)公眾、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的影響是無法估量的。本文以某核1級(jí)壓力容器設(shè)備為例,對(duì)按ASME規(guī)范2019版第Ⅲ卷NB分卷設(shè)計(jì)的容器的應(yīng)力分析進(jìn)行深入的闡述,目的在于能給核安全設(shè)備設(shè)計(jì)者提供一些參考。

        1 某核1級(jí)容器簡(jiǎn)介

        1.1 容器概述

        該容器用于存放具有強(qiáng)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(gè)為滑動(dòng)鞍座,一個(gè)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(jí)容器簡(jiǎn)圖

        1.2 容器設(shè)計(jì)要求

        1)規(guī)范等級(jí)。容器為1級(jí)部件,支承為1級(jí)支承。設(shè)計(jì)和分析須滿足NB- 3000和NF- 3000的要求。

        2)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和試驗(yàn)載荷。設(shè)計(jì)載荷:設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa;設(shè)計(jì)溫度為100℃。運(yùn)行載荷:運(yùn)行壓力為0.7 MPa;運(yùn)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(yàn)載荷。容器完成后須進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),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(jī)械載荷。

        1.3 材料屬性

        材料的彈性模量:E=2.02×105MPa (試驗(yàn)溫度);E=1.98×105MPa(設(shè)計(jì)溫度),其余屬性如表2所示。

        表2 材料屬性

        2 容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        容器按ASME NB分卷設(shè)計(jì),而NB分卷為以應(yīng)力分析為主的規(guī)范,對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用ASME NB分卷的規(guī)則公式進(jìn)行試算,最終采用應(yīng)力分析的方法進(jìn)行驗(yàn)證。故對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行容器的主要承力部件材料規(guī)格初步確定。

        對(duì)于鞍式支座的設(shè)計(jì),可參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者相關(guān)參考書(比如文獻(xiàn)[6])進(jìn)行。對(duì)于人孔法蘭螺栓連接件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)按ASME規(guī)范第Ⅲ卷附錄Ⅺ。后續(xù)按ASME規(guī)范整個(gè)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析。

        3 容器疲勞設(shè)計(jì)

        4 應(yīng)力分析

        根據(jù)ASME NB分卷及容器設(shè)計(jì)規(guī)格書規(guī)定,須進(jìn)行6個(gè)工況計(jì)算分析,分別為設(shè)計(jì)工況、A、B、C、D級(jí)工況和試驗(yàn)工況。

        4.1 幾何模型及網(wǎng)格

        為得到更準(zhǔn)確的應(yīng)力分布,計(jì)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(diǎn)數(shù)為2 128 520。

        圖2 整體幾何模型 圖3 模型網(wǎng)格

        4.2 載荷組合及工況

        載荷組合及工況如表3所示。

        4.3 邊界條件和載荷

        固定鞍座:△X=0,△Y=0,△Z=0。

        滑動(dòng)鞍座:△X=Free,△Y=0,△Z=0。

        4.3.1 設(shè)計(jì)工況

        設(shè)計(jì)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(jí)工況

        A、B、C級(jí)工況設(shè)計(jì)壓力:均為0.7 MPa,D級(jí)工況設(shè)計(jì)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(shí),考慮最高水位線差生的液體壓力。B級(jí)工況需要考慮0.2 g的地震加速度,C、D級(jí)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(shí),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 應(yīng)力線性化路徑及限制條件

        4.4.1 應(yīng)力線性化路徑

        結(jié)合ASME規(guī)范及設(shè)備的實(shí)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

        5 應(yīng)力結(jié)果評(píng)定及驗(yàn)證

        5.1 各工況總體應(yīng)力

        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(jì)工況 圖13 A級(jí)工況

        圖14 B級(jí)工況 圖15 C級(jí)工況

        圖16 D級(jí)工況 圖17 水壓試驗(yàn)工況

        從各工況的應(yīng)力云圖可知,最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)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(shì)最大。

        5.2 應(yīng)力分類評(píng)定

        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。

        5.3 鞍式支座的屈曲分析

        對(duì)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(jìn)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(jì)算理論,臨界屈曲因子大于1,則合格。計(jì)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(jì)算 圖19 2階屈曲計(jì)算

        5.4 應(yīng)力結(jié)果的驗(yàn)證

        根據(jù)ASME-NCA-4000章(2019版)及對(duì)應(yīng)的NQA-1 PART Ⅱ等章節(jié)對(duì)計(jì)算機(jī)程序的要求,若不能滿足規(guī)范中這些章節(jié)規(guī)定的計(jì)算機(jī)程序開發(fā)質(zhì)保要求,可采用每次驗(yàn)證設(shè)計(jì)分析結(jié)果對(duì)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,以保證計(jì)算機(jī)程序的使用滿足ASME規(guī)范要求。

        通常,可通過文獻(xiàn)查找相關(guān)一次、二次應(yīng)力計(jì)算的解析解來對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,如文獻(xiàn)[6]中橢圓封頭的應(yīng)力計(jì)算公式。對(duì)于接管局部應(yīng)力,可用WRC公報(bào)或EN13445等中的解析解進(jìn)行驗(yàn)證。

        6 結(jié)語

        本文以按ASME-NB分卷設(shè)計(jì)的壓力容器為例,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析等方面進(jìn)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(jì)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(duì)于無規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于應(yīng)力結(jié)果的解析驗(yàn)證,可從文獻(xiàn)、WRC公報(bào)、EN13445等處查找相關(guān)解析解進(jìn)行驗(yàn)證。

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