薛國(guó)宏 李 源 趙飛云 馮少東 于 浩

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

防斷組件及其支承柱高周疲勞分析

薛國(guó)宏 李 源 趙飛云 馮少東 于 浩

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求在全壽期內(nèi)保持高度可靠性。在國(guó)內(nèi)外核電廠運(yùn)行過(guò)程中，曾發(fā)生堆內(nèi)構(gòu)件因流致振動(dòng)而出現(xiàn)故障和損壞事件，直接影響了反應(yīng)堆的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。本文以堆內(nèi)構(gòu)件防斷組件及其支承柱(SCSS)為研究對(duì)象，研究其在流致振動(dòng)載荷和泵致振動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行譜分析和諧響應(yīng)分析。最后根據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范對(duì)防斷組件及其支承柱各部件進(jìn)行高周疲勞評(píng)定，計(jì)算結(jié)果表明各部件交變應(yīng)力強(qiáng)度滿足規(guī)范限值的要求。

堆內(nèi)構(gòu)件，流致振動(dòng)，泵致振動(dòng)，高周疲勞

反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件是為燃料組件及相關(guān)組件提供支承、定位和導(dǎo)向、為冷卻劑提供導(dǎo)向和流量分配、為反應(yīng)堆壓力容器提供屏蔽和材料監(jiān)督、為堆芯測(cè)量套管組件提供支承和導(dǎo)向的重要設(shè)備[1]。壓水堆核電站依靠冷卻水循環(huán)對(duì)反應(yīng)堆堆芯及結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫，因此設(shè)計(jì)時(shí)要避免發(fā)生堆內(nèi)構(gòu)件因流致振動(dòng)而破壞的事件。防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)是重要的堆內(nèi)構(gòu)件，是一個(gè)為防止吊籃斷裂而出現(xiàn)事故的安全設(shè)備。由于防斷底板與反應(yīng)堆壓力殼下封頭底面在熱態(tài)時(shí)保持有十幾毫米的間隙，當(dāng)?shù)趸@組件發(fā)生斷裂、堆芯突然垂直下落時(shí)，依靠緩沖器的變形消耗沖擊產(chǎn)生的能量，防止對(duì)壓力殼產(chǎn)生過(guò)大的撞擊而損壞。防斷組件及其支承柱在正常運(yùn)行狀態(tài)下，主要受到熱瞬態(tài)溫度載荷、水流沖擊產(chǎn)生的流致振動(dòng)載荷和泵致振動(dòng)載荷。流致振動(dòng)載荷和泵致振動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高周疲勞，因此本文通過(guò)有限元法對(duì)防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行流致振動(dòng)和泵致振動(dòng)載荷下的高周疲勞分析，計(jì)算得到各個(gè)部件及連接螺栓的交變應(yīng)力并按ASME規(guī)范[2]的使用限值進(jìn)行評(píng)定。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

堆內(nèi)構(gòu)件防斷組件及其支承柱主要包括渦流抑制板、防斷組件緩沖器、防斷底板和防斷組件支承柱，其中渦流抑制板位于反應(yīng)堆壓力容器下腔室，用于抑制冷卻劑流動(dòng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定漩渦。它的上方有12根支承柱，通過(guò)螺栓與堆芯支承下板相連，下方有4個(gè)防斷組件緩沖器，通過(guò)螺栓連接到防斷底板。防斷組件及其支承柱簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of vortex suppression plate and secondary core support structure.

2 分析方法和模型

2.1分析方法

本文運(yùn)用功率譜密度(Power Spectrum Density)法計(jì)算結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)載荷下的響應(yīng)。首先通過(guò)ANSYS軟件建立防斷組件及其支承柱有限元模型，然后根據(jù)載荷類型在計(jì)算各個(gè)載荷響應(yīng)時(shí)采用不同的分析方法，對(duì)湍流力引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)采用ANSYS功率譜密度法(PSD)計(jì)算，而泵致振動(dòng)載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)采用ANSYS諧波響應(yīng)方法計(jì)算。最后組合各個(gè)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，得到各個(gè)部件的交變應(yīng)力強(qiáng)度后進(jìn)行高周疲勞的評(píng)定，由于計(jì)算得到的是均方根值，對(duì)流致振動(dòng)乘以4.5換算到峰值，對(duì)泵致振動(dòng)乘以3.0換算到峰值。流致振動(dòng)載荷下的計(jì)算結(jié)果和泵致振動(dòng)下的計(jì)算結(jié)果直接相加后得到組合結(jié)果，這樣計(jì)算是保守的。

圖2 防斷組件及其支承柱有限元模型示意圖Fig.2 The finite element model of vortex suppression plate and secondary core support structure.

2.2有限元模型

本文首先建立堆內(nèi)構(gòu)件防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)的有限元模型，再進(jìn)行模態(tài)分析、PSD譜分析和諧振動(dòng)分析。采用ANSYS程序中板殼單元(shell63)和管單元(pipe16)模擬板和梁部件。防斷組件支承柱與堆芯支承下板相連，對(duì)這些點(diǎn)采取固定約束。該有限元模型由5572個(gè)板殼單元、760個(gè)管單元和6824個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。有限元模型包括防斷組件支承柱，渦流抑制板，能量吸收器柱和防斷底板組成。有限元模型及其邊界條件見(jiàn)圖2。

有限元模型使用的材料參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范書[1]確定，國(guó)產(chǎn)化AP1000防斷組件及其支承柱均使用材料為304的奧氏體不銹鋼。由于防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)處在水環(huán)境中，因此需考慮水附加質(zhì)量的影響。附加質(zhì)量是結(jié)構(gòu)流體接觸面和可能存在的相鄰結(jié)構(gòu)幾何形狀的函數(shù)，根據(jù)ASME規(guī)范附錄N中表N1311-1可計(jì)算相應(yīng)部件水的附加質(zhì)量，從而獲得部件的等效密度，具體各個(gè)部件的材料屬性見(jiàn)表1，其中材料的泊松比取0.3。

表1 防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)中各部件材料屬性[2]Table 1 The material properties of the components in vortex suppression plate and secondary core support structure[2].

有限元模型輸入載荷包括渦流抑制板上的振動(dòng)力和堆芯支承下板的振動(dòng)力，其中流致振動(dòng)引起的振動(dòng)力用水平和垂直兩個(gè)方向上的功率譜密度表示。渦流抑制板邊緣處的湍流力主要因水流流經(jīng)下腔室和導(dǎo)流圍板所產(chǎn)生的，為使計(jì)算更加保守，本文認(rèn)為下腔室湍流在流經(jīng)導(dǎo)流圍板時(shí)并沒(méi)有減小。相關(guān)載荷數(shù)據(jù)根據(jù)試驗(yàn)獲得。本文計(jì)算時(shí)的結(jié)構(gòu)阻尼值保守地取為0.01。

3 應(yīng)力計(jì)算及評(píng)定

3.1模態(tài)分析結(jié)果

國(guó)產(chǎn)化AP1000防斷組件及其支承柱在空氣中和水中的固有頻率見(jiàn)表2，其分析結(jié)果用于后續(xù)功率譜密度法譜分析計(jì)算及諧響應(yīng)分析計(jì)算。

表2 防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)頻率(Hz)Table 2 The natural frequencies of SCSS (Hz)。

3.2應(yīng)力分析及計(jì)算

3.2.1 應(yīng)力集中因子

考慮到防斷組件支承柱和能量吸收器柱結(jié)構(gòu)的局部不連續(xù)，應(yīng)力分量需要乘以相應(yīng)的應(yīng)力集中因子。通過(guò)幾何尺寸(圖3)確定拉伸應(yīng)力集中因子Kt和彎曲應(yīng)力集中因子Kb[3]，具體值列于表3。螺栓應(yīng)力集中因子根據(jù)NG-3232.3取4.0。

圖3 柱結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.3 Dimension diagram for columns.

表3 各部件應(yīng)力集中因子Table 3 Stress concentration factors of components.

3.2.2 螺栓連接剛度系數(shù)

螺栓的相對(duì)剛度系數(shù)與螺栓和被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料及墊片、工作載荷的作用位置等因素有關(guān)，一般其值在0–1之間變動(dòng)。一般設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)墊片材料不同使用推薦數(shù)據(jù)，金屬墊片(或者無(wú)墊片時(shí))為0.2–0.3[4]。本文保守取0.3用于螺栓載荷的計(jì)算。

3.2.3 交變應(yīng)力計(jì)算

交變應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程如下：首先將流致振動(dòng)載荷下的彎矩、力，與泵致振動(dòng)載荷下的計(jì)算結(jié)果相加；接著根據(jù)公式(1)至公式(6)分別計(jì)算支承柱、能力吸收器柱、以及各個(gè)連接螺栓的應(yīng)力；最后將NG-3216.1[1]中的相關(guān)規(guī)定按公式(7)和公式(8)計(jì)算相應(yīng)部件的交變應(yīng)力。渦流抑制板和防斷底板的交變應(yīng)力直接根據(jù)有限元計(jì)算獲得，各個(gè)部件最終應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

其中，aσ、bσ、τ分別是軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，Ecurve表示疲勞曲線參考的彈性模量，E表示交變應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算溫度下的彈性模型，σint為交變應(yīng)力強(qiáng)度，f表示疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)。渦流抑制板和防斷底板的最大應(yīng)力強(qiáng)度分別為47.59和15.49MPa，應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。

交變應(yīng)力強(qiáng)度

表4 防斷組件及其支承柱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總Table 4 The stress values calculated in SCSS (MPa).

3.3應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

由表4可知，國(guó)產(chǎn)化AP1000防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)中部件最大交變應(yīng)力值為33.88MPa，螺栓最大交變應(yīng)力為112.63MPa，均小于規(guī)定的限制163MPa。因此，防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)滿足ASME規(guī)范第Ⅲ卷中規(guī)定的高周疲勞應(yīng)力要求。

圖4 渦流抑制板及防斷底板應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖Fig.4 Stress intensity plot of the VSP and base plate.

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元法建立防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)有限元模型，運(yùn)用功率譜分析和諧響應(yīng)分析法對(duì)防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)在流致振動(dòng)載荷及泵致振動(dòng)載荷下進(jìn)行計(jì)算分析，求得各個(gè)部件的交變應(yīng)力并與ASME規(guī)范規(guī)定的限值作比較，結(jié)果表明防斷組件及其支承柱結(jié)構(gòu)滿足ASME第III卷NG分卷和堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范書中規(guī)定的要求。

1 陳宇清. 堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范書[R]. 上海: 上海核工程研究設(shè)計(jì)院, 2012 CHEN Yuqing. Reactor Vessel Internals Design Specification[R]. Shanghai: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2012

2 ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范[S]. 1998版2000補(bǔ)遺ASME Boiler and Pressure Vessel Code[S]. 1998 Edition including 2000 Addenda

3 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000 LIU Hongwen. Mechanics of materials[M]. Beijing: Higher Education Press, 2000

4 紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005 JI Minggang. Mechanical design[M]. Beijing: Higher Education Press, 2005

High cycle fatigue analysis of vortex suppression plate and secondary core support structures

XUE Guohong LI Yuan ZHAO Feiyun FENG Shaodong YU Hao
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute. Shanghai 200233, China)

Background: Reactor internals are important equipments in the reactor coolant system, its structure design needs high reliability in the entire lifetime. Reactor internals have occurred breakdown and the damage event due to flow induced vibrations in the domestic and foreign nuclear power plants, which make immediate influence on reactor safe operation and economic efficiency. Purpose: In this work, the dynamic response of reactor internals-vortex suppression plate and secondary core support structure (SCSS) under the loading from pump induced vibrations and flow induced vibrations are studied. Methods: Based on the finite element model of SCSS, Spectrum analysis and the harmonious analysis are performed, in order to get the response of the structure under flow induced vibrations. Then, the high fatigue of the structure is assessed according to the ASME B&PV Code. Results: The results indicate that alternate stresses of all the components satisfy the limiting value in the correlative requirements. Conclusions: The structure of SCSS could bear the vibration induced from the flow and the pump, and the method used in this article provides the reference for other reactor internals structure analysis like this.

Reactor internals, Flow induced vibrations, Pump induced vibrations, High cycle fatigue

TL351，TB12

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040639

薛國(guó)宏，男，1985年出生，2011年畢業(yè)于浙江大學(xué)，現(xiàn)從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-09-24，

2012-10-30

CLC TL351, TB12