劉廣東

乏燃料運(yùn)輸容器事故工況密封分析研究

劉廣東

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

為防止放射性物質(zhì)泄漏，要求乏燃料運(yùn)輸容器在事故工況下保證容器的密封。通過對(duì)乏燃料運(yùn)輸容器比例容器事故工況密封分析研究，為乏燃料運(yùn)輸容器密封分析提供依據(jù)。為驗(yàn)證假想事故工況乏燃料運(yùn)輸容器的密封性，采用LS-DYNA分析軟件，開展乏燃料運(yùn)輸容器比例容器9 m跌落分析，提取密封螺栓跌落過程中的載荷時(shí)程和密封面分離量，并在比例容器跌落試驗(yàn)后開展氣密性能試驗(yàn)。跌落分析結(jié)果表明，比例容器內(nèi)、外蓋在跌落過程中，密封螺栓應(yīng)力滿足限值要求；內(nèi)、外蓋密封面最大分離量小于密封結(jié)構(gòu)有效回彈量。同時(shí)跌落后容器的氣密性檢查試驗(yàn)結(jié)果表明其密封性能良好。乏燃料運(yùn)輸容器比例容器的跌落密封分析和氣密性試驗(yàn)結(jié)果表明，在事故工況下乏燃料運(yùn)輸容器貨包能夠保證密封要求，該分析方法可用于乏燃料運(yùn)輸容器事故工況的密封分析。

乏燃料運(yùn)輸容器；比例容器；跌落分析；密封分析；氣密性試驗(yàn)

乏燃料運(yùn)輸容器是運(yùn)輸包裝乏燃料的屏蔽密封容器。由于乏燃料是一種具有較強(qiáng)放射性的特殊物質(zhì)，為了把與放射性物質(zhì)運(yùn)輸有關(guān)的人員、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境受到的輻射危害、臨界危害和熱危害控制在可接受的水平，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)和世界各國(guó)頒布了相關(guān)的條例，對(duì)放射性物質(zhì)運(yùn)輸及設(shè)計(jì)提出嚴(yán)格的防護(hù)要求。為防止放射性物質(zhì)泄漏，要求貨包密封結(jié)構(gòu)安全可靠，即在正常運(yùn)輸及運(yùn)輸事故條件下保證貨包的密封性。

按IAEA TS-R-1-2009[1]和GB 11806—2019[2]相關(guān)規(guī)定，根據(jù)放射性內(nèi)容物的特性、活度水平、比活度和運(yùn)輸方式對(duì)貨包進(jìn)行分類，乏燃料運(yùn)輸容器貨包為B(U)型貨包。在正常運(yùn)輸條件下，能使放射性內(nèi)容物的泄漏限制在每小時(shí)不大于10?62，在經(jīng)受運(yùn)輸事故條件試驗(yàn)（9 m跌落、1 m貫穿、耐熱以及水浸沒試驗(yàn)）后，能使1周內(nèi)放射性內(nèi)容物的累積漏失對(duì)85Kr限制在不大于102和對(duì)所有其他的放射性核素限制在不大于2。2為表征不同放射性材料放射性活度的參數(shù)，代表了某個(gè)核素在容器中可允許裝載的最大放射性活度。根據(jù)產(chǎn)品的最大放射性活度值，參考放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸貨包的泄漏檢驗(yàn)[3]進(jìn)行源項(xiàng)估算，并考慮一定的安全裕度，正常運(yùn)輸條件下容許氦氣標(biāo)準(zhǔn)化泄漏率為2×10?8Pa·m3/s。

設(shè)計(jì)階段，在容器制造完工后進(jìn)行泄漏率驗(yàn)證試驗(yàn)[4-8]，利用氦質(zhì)譜儀探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果低于正常運(yùn)輸條件的泄漏率限值要求。由于9 m自由跌落沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)最不利，為證明運(yùn)輸容器在事故工況下的密封性能，本文開展事故跌落工況下的密封性研究。試驗(yàn)驗(yàn)證是最直接的手段，可以獲得全面可靠的數(shù)據(jù)，但開展乏燃料運(yùn)輸容器跌落試驗(yàn)成本昂貴，通常采用比例容器進(jìn)行跌落試驗(yàn)，但是在比例?；?，密封圈尺寸和性能不符合比例?；瘲l件，比例容器的密封檢漏試驗(yàn)不能來(lái)量化全尺寸產(chǎn)品的泄漏率。因此需要開展比例容器跌落試驗(yàn)，并與有限元分析相結(jié)合，驗(yàn)證運(yùn)輸容器比例容器事故條件下是否能夠保證密封要求，該分析方法可用于乏燃料運(yùn)輸容器事故工況的密封分析。

1 密封結(jié)構(gòu)描述

乏燃料運(yùn)輸比例容器設(shè)置內(nèi)蓋密封和外蓋密封，內(nèi)蓋密封圈設(shè)計(jì)為雙C形金屬密封圈，外蓋密封圈設(shè)計(jì)為單道C形金屬密封圈，可為運(yùn)輸容器提供冗余的密封功能，密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

頂部鍛件的內(nèi)徑圓周呈凹陷緣狀，內(nèi)蓋能完全嵌入頂端鍛件與凸緣吻合，并通過42個(gè)材質(zhì)為GH4169的螺栓緊固在凸緣上。外蓋通過36個(gè)材質(zhì)為GH4169的螺栓緊固在頂端鍛件的端面。內(nèi)、外蓋下側(cè)面上有密封圈凹槽，該凹槽用來(lái)裝配密封圈。

圖1 運(yùn)輸容器密封結(jié)構(gòu)

C形密封環(huán)的密封特性曲線如圖2所示，其工作原理：通過螺栓預(yù)緊力來(lái)壓緊內(nèi)、外蓋板和頂部鍛件之間的密封環(huán)，使其產(chǎn)生壓縮變形并與螺旋彈簧貼緊，依靠螺旋彈簧獲得良好的回彈量和密封比壓，包敷的密封銀層可以填補(bǔ)密封面的微觀不平，從而獲得良好的密封效果。當(dāng)蓋板與頂部鍛件密封面發(fā)生軸向分離時(shí)，被壓縮的密封環(huán)就能產(chǎn)生足夠的回彈量進(jìn)行補(bǔ)償并產(chǎn)生密封比壓，保證運(yùn)輸容器具有良好的密封性能，達(dá)到良好的密封效果。圖2中各物理量含義：0為達(dá)到初始密封狀態(tài)時(shí)，密封環(huán)所需單位長(zhǎng)度上的緊固載荷；1為從壓縮狀態(tài)2處卸載至密封失效時(shí)，密封環(huán)單位長(zhǎng)度上的緊固載荷；2為保持密封且對(duì)應(yīng)于壓縮狀態(tài)2時(shí)，密封環(huán)單位長(zhǎng)度上的緊固載荷；0為達(dá)到初始密封狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)密封環(huán)的壓縮量；1為從壓縮狀態(tài)2處卸載至密封失效時(shí)，對(duì)應(yīng)密封環(huán)的壓縮量；2為保持密封狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)密封環(huán)的理論工作點(diǎn)壓縮量。

圖2 密封環(huán)載荷-位移特性曲線

2 計(jì)算模型

2.1 模型簡(jiǎn)化

根據(jù)乏燃料運(yùn)輸比例容器設(shè)計(jì)圖冊(cè)，減震器采用螺栓固定于容器外蓋及底板上，在分析過程中對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，將上、下減震器分別與容器外蓋及底板進(jìn)行綁定。根據(jù)吊籃與容器間隙設(shè)計(jì)，在容器內(nèi)部使用等質(zhì)量的圓柱體（外徑與吊籃相同，圓柱體的質(zhì)量為吊籃及燃料組件質(zhì)量之和）對(duì)吊籃及燃料組件進(jìn)行等效。內(nèi)、外筒體間的鉛層，容器內(nèi)部的等效圓柱體，上、下中子屏蔽層與筒體四周設(shè)置接觸。將最外層的中子屏蔽層質(zhì)量附加于外筒體上[9]。為模擬跌落過程中螺栓預(yù)緊力的變化，需建立螺栓模型，內(nèi)、外蓋和頂部鍛件螺栓孔如圖3所示。

圖3 螺栓孔位置圖

為便于螺栓與螺栓孔的連接和螺栓預(yù)緊力的加載，螺栓用梁?jiǎn)卧刃?，建立?duì)應(yīng)的線并賦予對(duì)應(yīng)螺栓直徑。螺栓（梁?jiǎn)卧┡c螺栓孔（實(shí)體單元）的連接，如圖4所示。

圖4 螺栓與螺栓孔連接模型

2.2 材料模型與參數(shù)

根據(jù)乏燃料運(yùn)輸比例容器各組件質(zhì)量及簡(jiǎn)化后模型各組件體積，計(jì)算得到各組件材料密度。在跌落計(jì)算過程中，將筒體設(shè)置為彈性體，使用的材料模型為*MAT_ELASTIC，地面和螺栓連接桿使用剛性材料模型*MAT_RIGID；內(nèi)、外蓋螺栓使用點(diǎn)焊梁材料模型*MAT_SPOTWELD。

筒體根據(jù)選材，從標(biāo)準(zhǔn)中查取相應(yīng)材料參數(shù)?？紤]到跌落計(jì)算中減震器會(huì)發(fā)生較大變形，計(jì)算過程中減震器木材及包殼使用的材料模型為彈塑性模型*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。減震器材料為輕木和杉木，其材料性能曲線如圖5—6所示。

圖5 杉木順紋、橫紋方向應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 輕木順紋、橫紋方向應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 有限元模型

減震器包殼采用殼單元，螺栓采用梁?jiǎn)卧?，?duì)應(yīng)連接面采用殼單元并與梁?jiǎn)卧补?jié)點(diǎn)，地面采用殼單元，其余采用六面體實(shí)體單元。乏燃料運(yùn)輸比例容器跌落分析有限元模型如圖7所示。

2.4 初始條件輸入

根據(jù)密封圈性能曲線中的2值、水壓試驗(yàn)壓力等參數(shù)，計(jì)算保障密封性的螺栓預(yù)緊力。內(nèi)蓋螺栓預(yù)緊力為4 489 964 N，共42個(gè)螺栓，每個(gè)內(nèi)蓋螺栓的預(yù)緊力為106 904 N；外蓋螺栓預(yù)緊力為3 545 262 N，共36個(gè)螺栓，每個(gè)外蓋螺栓的預(yù)緊力為98 480 N。通過動(dòng)力松弛的方式加載螺栓預(yù)緊力，在跌落分析開始前就把預(yù)緊力加載到螺栓上，并且在整個(gè)跌落過程中都考慮螺栓預(yù)緊力的影響。在建模時(shí)，已為對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外蓋螺栓線模型分別賦予圓形截面形成梁模型來(lái)等效實(shí)際的螺栓模型，在螺栓預(yù)緊力加載時(shí)只需要對(duì)梁模型（Beam單元）施加預(yù)拉力即可。

圖7 乏燃料運(yùn)輸比例容器（帶減震器）有限元分析模型

跌落分析初始條件輸入還包含初速度、重力、容器內(nèi)壓以及地面的固定。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將筒體與地面之間的距離設(shè)置為10 mm，對(duì)筒體施加13.3 m/s的初速度以模擬9 m的跌落高度。

3 密封分析

3.1 跌落密封數(shù)值計(jì)算

考慮到跌落姿態(tài)的隨機(jī)性，需要開展豎直跌落、側(cè)跌、角跌分析[10-15]，根據(jù)跌落分析結(jié)果選擇嚴(yán)酷的角度開展角跌試驗(yàn)、豎直跌落試驗(yàn)、側(cè)跌試驗(yàn)和穿刺試驗(yàn)。不同姿態(tài)的跌落分析和跌落試驗(yàn)方法相同，本文以9 m豎直跌落為例，開展乏燃料運(yùn)輸比例容器跌落過程中的密封性分析和跌落后的氣密性試驗(yàn)。

跌落分析計(jì)算完成后，提取容器的加速度時(shí)程曲線，如圖8所示。由圖8可知，容器在跌落過程中受到的最大沖擊加速度為651 m/s2，且受到最大沖擊加速度的時(shí)間為0.028 s，因此提取0.1 s前的跌落計(jì)算結(jié)果開展密封分析具有包絡(luò)性。

提取各個(gè)螺栓的軸力時(shí)程曲線，通過比較，內(nèi)蓋螺栓中，軸力變化最大的螺栓軸力時(shí)程曲線如圖9所示。由圖9可知，在跌落開始時(shí)，將106 904 N預(yù)緊力加載到對(duì)應(yīng)的內(nèi)蓋螺栓上，內(nèi)蓋螺栓軸力在跌落過程中的最大值為114 210 N，最小值為93 684 N。在外蓋螺栓中，軸力變化最大的螺栓軸力時(shí)程曲線如圖10所示。由圖10可知，外蓋螺栓軸力在跌落過程中最大值為120 240 N，最小值為88 417 N。根據(jù)螺栓的應(yīng)力截面積和軸力可計(jì)算得到螺栓的應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果顯示螺栓的應(yīng)力小于其許用應(yīng)力。

圖8 容器的加速度時(shí)程曲線

圖9 容器內(nèi)蓋螺栓軸力時(shí)程曲線

圖10 容器外蓋螺栓軸力時(shí)程曲線

在密封面上、下面8個(gè)位置，提取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移曲線，計(jì)算密封面對(duì)應(yīng)位置上、下面節(jié)點(diǎn)的位移差，即為密封面的位移。內(nèi)蓋密封面位移曲線（即內(nèi)蓋與頂部鍛件接觸面相對(duì)位移曲線）如圖11所示，在跌落過程中，內(nèi)蓋與頂部鍛件接觸面軸向分離量的最大值為0.003 457 1 mm。容器下密封面位移曲線（即外蓋與頂部鍛件接觸面相對(duì)位移曲線）如圖12所示，在跌落過程中，外蓋與頂部鍛件接觸面軸向分離量的最大值為0.018 239 mm。內(nèi)、外蓋密封面在跌落過程中的位移遠(yuǎn)小于密封結(jié)構(gòu)的有效回彈量，密封結(jié)構(gòu)滿足密封性能要求。

圖11 容器上密封面位移曲線

圖12 容器下密封面位移曲線

3.2 跌落試驗(yàn)后氣密性試驗(yàn)驗(yàn)證

各姿態(tài)跌落試驗(yàn)后，通過檢查發(fā)現(xiàn)，容器蓋、與之配合的密封面、密封螺栓從外觀觀測(cè)未見明顯變形和損傷，螺栓尺寸正常，無(wú)永久變形。各姿態(tài)跌落試驗(yàn)后檢查結(jié)果表明，容器蓋、與之配合的密封面和密封螺栓結(jié)構(gòu)完好。由容器制造完工后進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)可知，試驗(yàn)結(jié)果低于正常運(yùn)輸工況泄漏率限值，并且事故工況的泄漏率限值被正常運(yùn)輸工況泄漏率限值包絡(luò)，證明容器密封結(jié)構(gòu)在事故工況后能滿足密封性要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證密封結(jié)構(gòu)是否滿足密封性能，容器在跌落試驗(yàn)以及擊穿試驗(yàn)前、后分別充壓至0.8 MPa，并維持10 min后進(jìn)行內(nèi)壓測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示容器在進(jìn)行跌落和穿刺試驗(yàn)后壓力值未降低，表明事故工況后密封結(jié)構(gòu)具有良好的保壓能力。由于跌落試驗(yàn)場(chǎng)地不具備氦檢漏試驗(yàn)條件，跌落試驗(yàn)后未開展泄漏率測(cè)試。工程實(shí)際中通常在比例容器制造完工后進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)，結(jié)合比例容器的有限元密封分析以及比例容器跌落試驗(yàn)后的氣密性試驗(yàn)，證明了密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過開展乏燃料運(yùn)輸容器比例容器的跌落密封分析和跌落試驗(yàn)后的氣密性試驗(yàn)，驗(yàn)證在事故工況下乏燃料運(yùn)輸容器比例容器密封結(jié)構(gòu)是否能夠保證密封性要求，具體結(jié)論如下：

1）事故工況跌落分析結(jié)果表明，比例容器內(nèi)、外蓋在跌落過程中，密封螺栓應(yīng)力滿足限值要求；內(nèi)、外蓋密封面軸向最大分離量小于密封結(jié)構(gòu)有效回彈量；密封結(jié)構(gòu)在事故工況下能滿足密封性要求。

2）各姿態(tài)跌落試驗(yàn)后檢查表明，容器內(nèi)外蓋及與之配合的密封面、密封螺栓從外觀觀測(cè)未見明顯變形和損傷，螺栓尺寸正常，密封結(jié)構(gòu)完好。結(jié)合容器制造完工后進(jìn)行泄漏率試驗(yàn)的結(jié)果低于正常運(yùn)輸工況下的泄漏率，并且事故工況的泄漏率被正常運(yùn)輸工況的泄漏率包絡(luò)，驗(yàn)證了容器密封結(jié)構(gòu)在事故工況后能滿足密封要求。

3）在9 m跌落試驗(yàn)和1 m擊穿試驗(yàn)前后對(duì)容器開展充壓和保壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示其壓力值未降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了密封結(jié)構(gòu)在事故工況后密封性能良好。

綜上，該分析方法可用于乏燃料運(yùn)輸容器事故跌落工況的密封分析。

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Analysis and Research on Sealing of Spent Fuel Transportation Cask under Accident Conditions

LIU Guang-dong

(China Nuclear Power Technology Research Institute Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518031, China)

The work aims to seal the spent fuel transportation cask under accident conditions in order to prevent the leakage of radioactivity materials and provide basis for the sealing analysis of the spent fuel transportation through the analysis and research on sealing of scale model of the spent fuel transportation cask under the accident conditions. To verify the sealing performance of the spent fuel transportation cask under hypothetical accident conditions, the 9 m drop analysis was carried out to the scale model of the spent fuel transportation cask under accident conditions by the LS-DYNA computer program. Then, the load history of sealing bolts and the separation of sealing surface during the drop process were extracted. Meanwhile, the sealing capability test was carried out after the drop test. The results of drop analysis indicated that the stress of the sealing bolts met the limit requirements during the drop process of inner and outer covers of scale model, and the maximum separation of sealing surfaces of inner and outer covers was less than the effective rebound of sealing structure. The air tightness test conducted after the drop test showed that the sealing performance was good. According to the results of drop sealing analysis and the air tightness test of scale model of spent fuel transportation cask, the spent fuel transportation cask can meet the sealing requirements under accident conditions and the method can be used for the sealing analysis of the spent fuel transportation cask under accident conditions.

spent fuel transportation cask; scale model; drop analysis; sealing analysis; air tightness test

TB485.3

A

1001-3563(2023)17-0298-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.037

2023-02-21

責(zé)任編輯：曾鈺嬋