安全殼管道貫穿件分析評定程序的開發(fā)

宋 煜 田振強(qiáng) 蔡 坤

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

安全殼管道貫穿件分析評定程序的開發(fā)

宋 煜 田振強(qiáng) 蔡 坤

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

核電站中存在著一類特殊的管道穿安全殼部件，即安全殼貫穿件。其分析方法與規(guī)范要求不同于管道分析。因而，針對CAP1000電站中帶封頭的安全殼貫穿件，需要一套方法和流程對其進(jìn)行計(jì)算、分析和評定。本文以CAP1000帶封頭的機(jī)械貫穿件為研究對象，經(jīng)分析、研究及對比，基于通用有限元軟件ANSYS，以及軸對稱模型非軸對稱加載和既定的載荷組合策略完成計(jì)算，基于通用文檔處理軟件Excel完成評定，并且應(yīng)用VB軟件將整個計(jì)算和分析流程界面化，開發(fā)了一套針對帶封頭的機(jī)械貫穿件進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析的應(yīng)用程序。本文中的分析評定方法和流程以及基于該方法而編寫的程序準(zhǔn)確、可靠，可極大地提高工作效率。

機(jī)械貫穿件，軸對稱模型，非軸對稱加載，應(yīng)力評定，疲勞評

AP1000帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件為工藝管道穿過鋼安全殼和屏蔽廠房的一種設(shè)備。帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件（簡稱貫穿件）通常作為工藝管道的固定點(diǎn)，并保證安全殼的密封性。早期我院安全殼貫穿件的評定通過上世紀(jì)90年代引進(jìn)的程序PENNA[1]進(jìn)行，由于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代，現(xiàn)已不適用，因而作者采用有限元軟件ANSYS 11.0作為結(jié)構(gòu)計(jì)算工具，并且開發(fā)了前、后處理程序，以按照ASME BPVC第III卷NE分卷和NC分卷的要求，對帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件進(jìn)行應(yīng)力評定和疲勞評定。且針對典型案例，將上述工具的結(jié)果與程序PENNA做了系統(tǒng)對比，論證了該工具完全可替代PENNA。為國產(chǎn)化以及后續(xù)項(xiàng)目中貫穿件的分析和評定提供了可靠的、適用的技術(shù)手段。

1 計(jì)算方法和評定準(zhǔn)則

1.1貫穿件簡介

本文以帶封頭的安全殼貫穿件為研究對象，該類貫穿件由封頭、保護(hù)套管、鋼安全殼套管構(gòu)成，結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 帶封頭的貫穿件Fig.1 Penetration with flued head.

1.2使用規(guī)范

依據(jù)帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件規(guī)范書[2]的規(guī)定，帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件的封頭、封頭與工藝管間焊縫按照ASME BPVC第III卷NC分卷[3]規(guī)定的方法和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算和評定；鋼安全殼套管與封頭間焊縫或保護(hù)套管與封頭間焊縫、保護(hù)套管、鋼安全殼套管與保護(hù)套管間焊縫按照ASME BPVC第III卷NE分卷[4]規(guī)定的方法和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算和評定。

所有焊縫均為全焊透，焊縫處均按照貫穿件部件的評定方法進(jìn)行評定，封頭與工藝管間焊縫無需進(jìn)行評定，工藝管道滿足評定要求則該焊縫滿足評定要求。

疲勞評定根據(jù)ASME BPVC第III卷NE分卷[4]NE-3221.5進(jìn)行。

1.3計(jì)算方法

1.3.1 應(yīng)力計(jì)算

依據(jù)帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件規(guī)范書[2]中的規(guī)定，需考慮各個工況下對應(yīng)的管道內(nèi)壓、安全殼內(nèi)壓，外部管道接管機(jī)械載荷以及熱脹載荷。

由于外部接管載荷中剪力和彎矩的存在，本計(jì)算通過有限元軟件ANSYS 11.0，采用軸對稱模型非軸對稱載荷(PLANE 25)的有限元方法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算?，F(xiàn)階段對于該計(jì)算方法的介紹信息較少，本文對該計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和對比工作，以驗(yàn)證該計(jì)算方法應(yīng)用的可靠性。

其中，軸對稱模型與ANSYS三維實(shí)體模型進(jìn)行對比時(shí)，驗(yàn)證模型采用厚壁筒，一端固定一端加載，厚壁筒高2 m，外徑0.8 m，壁厚0.1 m，加載端分別施加50 N的軸力與剪力，50 N/m的彎矩與扭矩，取如圖2所示筒體高中間一排的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行應(yīng)力比較。

圖2 三維模型與軸對稱模型Fig.2 3D model and axisymmetric model.

表1與表2列出了兩種模型在剪力與彎矩這兩種非軸對稱載荷作用情況下的應(yīng)力對比情況，由于軸力與扭矩為軸對稱載荷，兩種模型誤差較小，詳細(xì)對比情況不在此列出。

ANSYS程序與PENNA程序?qū)Ρ葧r(shí)，驗(yàn)證模型采用完全相同尺寸的貫穿件模型和相同的網(wǎng)格劃分。貫穿件末端固定，接管處的一側(cè)施加單位載荷，如圖3所示，對比了兩種程序下各個單元的單元應(yīng)力強(qiáng)度，本文僅列出圖3中所示的4個單元的單元應(yīng)力強(qiáng)度對比情況，由于程序PENNA只列出較大應(yīng)力強(qiáng)度所在角度截面，因而本文均在這些應(yīng)力強(qiáng)度較大的角度截面進(jìn)行比較，應(yīng)力強(qiáng)度對比情況如表3所示。

表1 三維模型與軸對稱模型在剪力作用下的應(yīng)力對比Table 1 Contrast of stress under shear force by 3D model and axisymmetric model.

表2 三維模型與軸對稱模型在彎矩作用下的應(yīng)力對比Table 2 Contrast of stress under bending moment by 3D model and axisymmetric model.

表3 ANSYS與PENNA單元應(yīng)力強(qiáng)度對比Table 3 Contrast of element stress intensity calculated by ANSYS and PENNA.

表4總結(jié)列出了綜合更多單元對比后PENNA模型與ANSYS模型單元應(yīng)力強(qiáng)度平均計(jì)算誤差的對比情況，以及軸力和扭矩這兩種軸對稱載荷作用下應(yīng)力的計(jì)算誤差對比情況。

表4 各應(yīng)力計(jì)算對比誤差Table 4 Stress deviation in different models.

另外，經(jīng)計(jì)算對比發(fā)現(xiàn)，在如圖2所示筒體結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，結(jié)構(gòu)在分別承受剪力及彎矩時(shí)，軸對稱模型計(jì)算出的0°截面上YZ及XZ向剪應(yīng)力均為0，而三維模型均計(jì)算出了較小的應(yīng)力值，因而軸對稱模型非軸對稱加載模型較ANSYS三維實(shí)體模型更接近理論解。由于采用幾何軸對稱模型，其計(jì)算量較三維實(shí)體模型大大降低，因而提高計(jì)算速率的同時(shí)，可以采用更加密集的網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度。

在設(shè)計(jì)Level A、B、C、D和包括管道熱脹的Level A/B工況下均施加設(shè)計(jì)壓力，見圖4。

圖4 管道內(nèi)壓Fig.4 Pipe internal pressure.

在水壓試驗(yàn)工況下施加1.25倍的設(shè)計(jì)壓力。管內(nèi)壁施加的徑向壓力Pradial為設(shè)計(jì)壓力 Pdesign。壓力產(chǎn)生的管道軸向壓力Paxial施加在模型管道部分的兩端，且按如下公式計(jì)算：

其中，RI為管道部分的內(nèi)徑；RO為管道部分的外徑。

在設(shè)計(jì)Level C、D、水壓試驗(yàn)下均沿與安全殼內(nèi)空氣接觸的邊界施加安全殼設(shè)計(jì)內(nèi)壓。

外部接管載荷（剪力、軸力、彎矩和扭矩）均沿坐標(biāo)軸方向施加，以確保最大應(yīng)力會發(fā)生在軸對稱模型上與坐標(biāo)軸呈0°、90°、180°和270°這4個角度的截面上，見圖5。所有這4個角度的應(yīng)力值均會被評定。

圖5 載荷施加方式Fig.5 Loads apply way.

將管道分析得到的接管載荷加載到貫穿件左右兩側(cè)，包括剪力、軸力、彎矩和扭矩，這些載荷的方向組合必須保證包含所有評定路徑中應(yīng)力的最大值。

1.3.2 疲勞計(jì)算

疲勞計(jì)算中，根據(jù)設(shè)計(jì)瞬態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)應(yīng)力分析，評定系統(tǒng)運(yùn)行載荷對部件疲勞壽命的影響。瞬態(tài)應(yīng)力分析包括各適用設(shè)計(jì)瞬態(tài)下的熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

熱分析中，貫穿件內(nèi)壁的換熱邊界為對流換熱，對流換熱系數(shù)依據(jù)管道內(nèi)流體與管道的對流換熱計(jì)算公式，采用Matlab編輯的計(jì)算程序得到。

其計(jì)算公式如下：

其中，C為流體導(dǎo)熱系數(shù)；R為流體雷諾數(shù)；P為流體普朗特?cái)?shù)；ID為管道內(nèi)徑。

封頭與安全殼套管（或保護(hù)套管）相連部分內(nèi)壁考慮為與安全殼內(nèi)部空氣對流換熱，封頭與安全殼套管（或保護(hù)套管）相連部分外壁考慮為與安全殼外部對應(yīng)廠房的空氣對流換熱。瞬態(tài)事件預(yù)期發(fā)生次數(shù)基于AP1000核電廠60年的設(shè)計(jì)壽命。

1.4評定方法

1.4.1 應(yīng)力評定

帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件依據(jù)如圖6所示的評定路徑進(jìn)行評定：

圖6 評定路徑Fig.6 Evaluation path.

各個評定路徑采用等效線性化對各應(yīng)力分量進(jìn)行處理，對線性化后的膜應(yīng)力強(qiáng)度和膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度分別進(jìn)行評定。其中膜應(yīng)力為沿壁厚的平均應(yīng)力，需要注意的是，由于模型為幾何軸對稱模型，因而其膜應(yīng)力與非幾何軸對稱模型有微小的不同。路徑L1-L8（封頭部分）依據(jù)ASME BPVC第III卷NC分卷[3]的要求進(jìn)行評定，路徑L9（鋼安全殼套管與封頭間焊縫）或路徑L9（保護(hù)套管與封頭間焊縫）-L10（鋼安全殼套管與保護(hù)套管間焊縫）依據(jù)ASME BPVC第III卷NE分卷[4]的要求進(jìn)行評定。由于評定路徑，評定工況，兩側(cè)載荷組合的不同，使得需要評定的數(shù)據(jù)非常龐大，因而將評定公式編入Excel，計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Excel，由Excel完成評定。

疲勞的分析與評定依據(jù)ASME BPVC第III卷NE分卷[4]NE-3221.5規(guī)定的方法。采取如圖7分析步驟對交變應(yīng)力強(qiáng)度范圍進(jìn)行疲勞計(jì)算。

圖7 ANSYS疲勞評定流程Fig.7 ANSYS fatigue evaluation process.

由瞬態(tài)應(yīng)力分析得到的結(jié)構(gòu)評定路徑內(nèi)外壁的應(yīng)力值計(jì)算一次加二次交變應(yīng)力強(qiáng)度范圍，由程序從設(shè)計(jì)疲勞曲線上查取相應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)Ni，將其與雨流法統(tǒng)計(jì)得到的該應(yīng)力強(qiáng)度范圍的循環(huán)次數(shù)ni相比較，計(jì)算使用因子ni/Ni。對各應(yīng)力循環(huán)對應(yīng)的使用因子進(jìn)行累積，最終得到累積使用因子U，若U≤1，認(rèn)為該部位不會發(fā)生疲勞破壞。

1.5程序界面優(yōu)化

由于工程項(xiàng)目中，貫穿件數(shù)量眾多，且大部分類型相似，為了提高工作效率，使得更多人更加容易地參與到評定工作中，在參數(shù)化建立ANSYS命令流文件的基礎(chǔ)上，使用程序VB為整個建模和計(jì)算編輯了更加簡單和友好的前處理界面，如圖8所示。

圖8 計(jì)算界面Fig.8 Calculating Panel.

在以上程序面板中依次輸入各個參數(shù)后，生成計(jì)算的命令流文件，交由ANSYS計(jì)算，最終由Excel讀入計(jì)算結(jié)果，即各個評定路徑在各個工況下的膜和膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度，按照各個部件的評定要求，依據(jù)事先編入的評定公式，完成評定。

以上過程不僅簡化了計(jì)算和評定工作，提高了工作效率，同時(shí)也大大降低了工作中出錯的幾率。

2 算例

本節(jié)以CAP-1000電站中CVS系統(tǒng)貫穿件P05為例，簡單介紹計(jì)算和評定流程。依據(jù)該貫穿件圖紙，將各個幾何參數(shù)，各個部件的彈性模量和泊松比等材料參數(shù)，貫穿件的設(shè)計(jì)壓力等設(shè)計(jì)參數(shù)依次輸入圖6計(jì)算界面的對應(yīng)部分，將貫穿件兩側(cè)設(shè)計(jì)、正常、異常、緊急、事故和試驗(yàn)工況下的機(jī)械接管載荷以及正常和異常工況下的熱脹接管載荷依次輸入對應(yīng)部分，交由ANSYS進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行評定的Excel文件中依次輸入設(shè)計(jì)溫度下各部件的許用應(yīng)力，許用應(yīng)力強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)入ANSYS的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，完成評定。由于計(jì)算結(jié)果較多，此處僅列出每種工況中，各個評定路徑和端部接管載荷組合中應(yīng)力比的最大值。評定結(jié)果見表5。

表5 貫穿件應(yīng)力評定結(jié)果摘要Table 5 Penetration stress evaluation results summary.

在進(jìn)行疲勞評定時(shí)，疲勞評定模型中，除了輸入貫穿件的各幾何參數(shù)外，還要輸入貫穿件各部件材料隨溫度變化的彈性模量，熱脹系數(shù)，泊松比，密度，比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)以及對應(yīng)材料的疲勞曲線。各部件在金屬溫度不超過370oC時(shí)的設(shè)計(jì)疲勞曲線由ASME BPVC第III卷第I分卷所得。同時(shí)將相應(yīng)專業(yè)提供的溫度和壓力瞬態(tài)信息，計(jì)算好的對流換熱系數(shù)，以及對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)寫入對應(yīng)的瞬態(tài)信息文件和疲勞計(jì)算文件中，通過計(jì)算，得到最終結(jié)果。評定結(jié)果見表6。

該貫穿件P05-CVS-C01滿足規(guī)范中規(guī)定的各個要求。

表6 貫穿件疲勞評定結(jié)果摘要Table 6 Penetration fatigue evaluation results summary.

3 結(jié)語

本文以CAP1000帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件為研究對象，采用有限元軟件ANSYS 11.0，按照ASME BPVC第III卷NC分卷[3]和NE分卷[4]的要求，對帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析，并將整體流程程序化。本文結(jié)果為國產(chǎn)化以及后續(xù)項(xiàng)目中貫穿件的分析和評定提供必要的技術(shù)方法。其參數(shù)化的建模方式為大批量，正確分析工程中的貫穿件提供便捷。

1 Penetration stress analysis program-penna user manual[Z], 1993

2 江娉婷. 帶封頭的安全殼機(jī)械貫穿件規(guī)范書[Z]. 上海:上海核工程研究設(shè)計(jì)院, 2011 JIANG Pinting. Containment penetration with flued heads design specification[Z]. Shanghai: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2011

3 ASME boiler and pressure vessel code, Section III, Rules for Construction of Nuclear Facility Components[S]. 2007 Edition, 2007, NC: 40–73

4 ASME boiler and pressure vessel code, Section III, Rules for Construction of Nuclear Facility Components[S]. 2007 Edition, 2007, NE: 43–61

Analysis program for SCV penetration

SONG Yu TIAN Zhenqiang CAI Kun
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Steel Containment Vessel (SCV) penetrations are special parts in nuclear plant. The analysis method and acceptance criteria of SCV penetration are different from piping. The analysis method and acceptance criteria for SCV penetration of CAP1000 plant are required. Purpose: To set the analysis method and acceptance criteria for SCV penetration. And base on these calculation and evaluation method, make a program for the penetration calculation and evaluation that is automatic, rapid and easy to use. Methods: The development of this program is based on the research and contrast. The axisymmetric penetration model with nonaxisymmetric loading is established in this program. The two sides loads combination of penetration is considered in this program. The stress is calculated by ANSYS 11.0; preprocess is developed by VB and post-process is done by Excel. Results: The analysis method and acceptance criteria of SCV penetration are established, and a program for the penetration calculation and evaluation is developed which is automatic, rapid and easy to use. Conclusions: The analysis method and acceptance criteria of SCV penetration and the program for the penetration calculation and evaluation in this paper are reliable. By this program, the high speed and accurate penetration analysis will be expected.

Penetration, Axisymmetric model, Nonaxisymmetric loading, Stress analysis, Fatigue analysis

O342

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040660

宋煜，男，1982年出生，2009年于上海交通大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事核電設(shè)計(jì)的力學(xué)分析工作

2012-10-20，

2012-11-30

CLC O342