核燃料組件運輸容器可靠性研究

譚文界　陳書華　任荷

【摘 要】本文的主要研究內(nèi)容是以核燃料組件運輸容器為研究對象，開展符合相關(guān)技術(shù)要求的可靠性研究，完成核燃料組件運輸容器可靠性設(shè)計、有限元仿真分析驗證、制定核燃料組件運輸容器可靠性設(shè)計規(guī)范，確保核燃料組件運輸容器滿足GB11806《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)定》等相關(guān)技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】燃料；容器；可靠性

0 引言

隨著我國民用核領(lǐng)域的快速發(fā)展，核核燃料組件的運輸數(shù)量和品種不斷增加，對核燃料組件運輸容器的需求將不斷擴大，由于核核燃料組件運輸屬于高敏感、高風險的放射性物質(zhì)運輸，不僅影響環(huán)境安全、公眾健康，也影響到國家安全和形象，以至影響整個核能開發(fā)和核技術(shù)的健康發(fā)展。我國關(guān)于放射性物質(zhì)運輸已經(jīng)制定了一些相關(guān)法規(guī)和標準，其中以GB11806《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》為主要依據(jù)。

國內(nèi)核電站目前主要采用進口核燃料組件運輸容器來運輸新核燃料組件，例如田灣核電站采用俄羅斯設(shè)計和制造的核燃料組件運輸容器，大壓灣核電站采用法國設(shè)計的核燃料組件運輸容器，尚未見到國內(nèi)研發(fā)成功具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核燃料組件運輸容器的報道。

1 研究目標

本文的研究目的是以核燃料組件運輸容器為研究對象，開展可靠性研究，在研究過程中運用可靠性技術(shù)挖掘和確定隱患和薄弱環(huán)節(jié)，并采取設(shè)計預防和設(shè)計改進措施有效地消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)，從而提高運輸容器的安全可靠性。

本文的主要目標是以已經(jīng)開展的核燃料組件運輸容器原理樣機設(shè)計及試驗為基礎(chǔ)，開展運輸容器的可靠性研究、建立起可靠性模型，并通過對運輸容器遭受的9m自由跌落試驗及600℃耐熱試驗進行有限元建模及分析，將分析結(jié)果與運輸容器原理樣機試驗結(jié)果進行對比論證和分析，驗證運輸容器有限元模型的正確性和可靠性，建立起一套完善的、科學的核燃料組件運輸容器可靠性設(shè)計規(guī)范，并在可靠性研究及有限元分析優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成核燃料組件運輸容器優(yōu)化三維數(shù)字虛擬樣機設(shè)計。

2 技術(shù)指標

2.1 核燃料組件運輸容器可靠性研究

建立核燃料組件運輸容器可靠性模型，完成FMECA和FTA分析，制訂核燃料組件運輸容器可靠性設(shè)計規(guī)范，建立一種運輸容器減震裝置的可靠性定量評估方法。

2.2 完成9m跌落試驗及600℃火燒試驗的仿真分析

采用有限元分析技術(shù)完成對核燃料組件運輸容器9m跌落試驗及600℃火燒試驗的仿真驗證，通過比對分析運輸容器原理樣機的試驗結(jié)果驗證其正確性，再此基礎(chǔ)上利用有限元分析技術(shù)完成運輸容器的設(shè)計優(yōu)化。

2.3 提供核燃料組件運輸容器優(yōu)化三維數(shù)字虛擬樣機

3 技術(shù)難點

3.1 核燃料組件運輸容器可靠性模型建立

由于國內(nèi)目前尚無新核燃料組件運輸容器的可靠性設(shè)計規(guī)范，所以可靠性模型數(shù)據(jù)來源少，同時又涉及材料、結(jié)構(gòu)、力學、熱工等多種學科知識，因此核燃料組件運輸容器可靠性模型的建立，存在一定難度。

3.2 有限元仿真分析驗證

目前自由跌落試驗的有限元仿真分析結(jié)果普遍存在精度不高的問題，由于運輸容器結(jié)構(gòu)較為復雜，且存在接觸及非線性問題，如何實現(xiàn)9m跌落及600℃耐熱試驗有限元仿真模型建立，并保證仿真分析的結(jié)果與試驗結(jié)果相一致在技術(shù)上存在一定的困難，是本文需開展攻關(guān)的技術(shù)難點。

4 研究內(nèi)容

4.1 可靠性設(shè)計與分析

運輸容器可靠性設(shè)計與分析的主要內(nèi)容是進行故障模式影響及危害分析（FMEFA）、故障樹分析（FTA），建立可靠性模型，制訂可靠性設(shè)計準則。

4.1.1 開展故障模式、影響及危害性分析（FMECA）；

針對運輸容器的結(jié)構(gòu)特點、功能要求和使用工況，建立可靠性框圖及基本可靠性模型。采用FMECA可靠性評價分析技術(shù)，對運輸容器各組成單元可能發(fā)生的各種失效模式對設(shè)備功能的影響及其危害程度的分析，盡早發(fā)現(xiàn)問題、及時采取對策、改進設(shè)計，以保證產(chǎn)品的可靠性。

4.1.2 故障樹分析（FTA）

利用FTA可靠性評價分析技術(shù)，對可能造成運輸容器失效的各種因素（包括硬件、軟件 、環(huán)境、人為因素等）進行分析，確定薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵零部件，建立邏輯框圖（即故障樹），并加以簡化，從而確定運輸容器失效原因的各種可能組合方式，建立故障樹數(shù)學模型，進行故障樹的定性分析；通過計算頂事件的概率，進行故障樹的定量分析。根據(jù)FTA分析結(jié)果，開展影響運輸容器壽命的關(guān)鍵因素（如結(jié)構(gòu)尺寸、減震參數(shù)、材料性能、使用工況等）分析，結(jié)合工程設(shè)計、制造、試驗及使用經(jīng)驗，分析各關(guān)鍵影響因素的分布規(guī)律。

4.1.3 運輸容器壽命仿真計算及分布特征分析研究

在已掌握壽命影響因素分布規(guī)律基礎(chǔ)上，為了對運輸容器進行可靠性分析，需要對運輸容器進行可靠性建模，確定運輸容器可靠性框圖及計算運輸容器可靠性的概率表達式（數(shù)學模型）。運輸容器可靠性模型是一個串聯(lián)模型，其詳細程序應(yīng)達到產(chǎn)品規(guī)定的分析層次，以獲得可以利用的信息。應(yīng)用蒙特卡羅方法隨機給定運輸容器壽命關(guān)鍵影響因素變量值，考慮疲勞、應(yīng)力-強度等因素，首先應(yīng)用有限元仿真軟件計算不同參數(shù)狀態(tài)下運輸容器關(guān)鍵零部件的壽命，進而給出運輸容器的壽命，并分析運輸容器壽命的分布特征。

4.1.4 制定可靠性設(shè)計準則

從運輸容器可靠性角度出發(fā)，通過開展故障模式、影響及危害性分析（FMECA）及故障樹分析（FTA），并在進行運輸容器壽命仿真計算及分布特征分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的、相似產(chǎn)品的工程經(jīng)驗，制定出運輸容器系統(tǒng)化、規(guī)范化的可靠性設(shè)計規(guī)范。

4.2 有限元仿真分析驗證

運輸容器經(jīng)受的9m跌落及600℃火燒事故工況，通常采用試驗的方法對其性能進行驗證，但由于試樣不可復用及試驗經(jīng)費高，難以對運輸容器進行充分的試驗，由試驗獲得的數(shù)據(jù)難以全面反映運輸容器的整體性能。為建立運輸容器的優(yōu)化設(shè)計方法，提高運輸容器的可靠性，本課題擬建立9m跌落及600℃火燒試驗的有限元仿真分析模型，采用核燃料組件運輸容器原理樣機的試驗結(jié)果對其進行對比驗證。采用經(jīng)驗證后的仿真分析方法對運輸容器進行結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，減少試驗成本，提高產(chǎn)品的可靠性。

9m跌落試驗采用三維建模軟件Solidworks建立運輸容器工程樣機的三維模型（如圖1所示），通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立9m自由跌落的分析模型，600℃耐熱試驗采用計算力學通用軟件ANSYS進行建模及分析。采用有限元分析的手段驗證運輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，保證運輸容器即使的事故工況下其結(jié)構(gòu)完整性也不被破壞，以保證核燃料組件不會因運輸容器結(jié)構(gòu)強度不足而造成放射性物質(zhì)的泄露。

4.3 虛擬樣機設(shè)計

根據(jù)可靠性分析和設(shè)計、有限元仿真分析驗證結(jié)果完成核燃料組件運輸容器的優(yōu)化三維數(shù)字虛擬樣機設(shè)計。

4.4 運輸容器影響壽命關(guān)鍵因素的試驗研究

根據(jù)運輸容器使用狀況及核燃料組件的運輸要求，運輸容器各部件在正常運輸工況下應(yīng)承受不小于4g的沖擊，根據(jù)運輸容器的結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境，運輸容器中對沖擊反映最敏感的零部件應(yīng)為運輸容器減震裝置，它在運輸過程中不斷受到交變應(yīng)力的作用，存在一定的疲勞失效的概率。為保證運輸容器在設(shè)計壽命內(nèi)運輸?shù)目煽啃裕枰獙\輸容器減震裝置壽命開展試驗研究，針對運輸容器壽命關(guān)鍵影響因素（如鋼絲繩減震器參數(shù)、運行條件等），制造運輸容器減震裝置試驗件，開展模擬不同路況及加速度變量值情況下的震動試驗，獲取壽命試驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)所得壽命試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合壽命仿真計算結(jié)果，建立一種運輸容器減震裝置的可靠性定量評估方法，并采用該方法對運輸容器的壽命進行計算分析。

5 經(jīng)濟與社會效益

本文研究成果可直接應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆核燃料組件運輸容器的研制，為核燃料組件運輸容器的優(yōu)化與工程設(shè)計奠定技術(shù)基礎(chǔ)；其9m跌落及600℃火燒有限元分析技術(shù)的建立及應(yīng)用，為后續(xù)新研制運輸容器提供了事故仿真試驗的模擬平臺，可大幅減少試驗樣機的需求量及試驗費用；通過運輸容器影響壽命關(guān)鍵因素的試驗研究，建立一種運輸容器減震裝置的可靠性定量評估方法，可定量評估運輸容器的壽命，為運輸容器可靠性的提高及改進提供了實現(xiàn)手段。目前國內(nèi)還未開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料運輸容器，作為燃料運輸過程中的必備設(shè)備，隨著未來核電需求的不斷擴大，未來中國需要數(shù)百臺新型核燃料組件運輸容器，因此本文的研究成果具有較廣泛的經(jīng)濟效益和社會效益。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]