反應(yīng)堆壓力容器頂蓋錐段設(shè)計研究

陶宏新，賀寅彪，唐偉華

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233)

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋錐段設(shè)計研究

陶宏新，賀寅彪，唐偉華

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233)

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋法蘭既是一回路承壓邊界，又是保證壓力容器密封的重要部件，因此結(jié)構(gòu)需要平滑過渡，受力均勻，防止局部應(yīng)力過高。通過有限元的分析及不同模型的比較顯示錐段結(jié)構(gòu)對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋應(yīng)力分布更加均勻；最大應(yīng)力點避免和高拉應(yīng)力區(qū)重復(fù)出現(xiàn)；有利于沖型等優(yōu)點，提高三代核電一體化頂蓋的國產(chǎn)化技術(shù)水平。

壓力容器；頂蓋法蘭；錐段；應(yīng)力分布

0 引言

反應(yīng)堆壓力容器是核電站最重要的設(shè)備之一，與系統(tǒng)的其他部件一起構(gòu)成一回路承壓邊界，同時也是防止放射性物質(zhì)泄漏的主要安全屏障，為核安全一級部件。而頂蓋及法蘭是壓力容器的關(guān)鍵部位，既是一回路承壓邊界的重要組成部分，又是保證壓力容器密封的重要部件，因此頂蓋及法蘭結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計尤為重要。

三代核電壓力容器頂蓋升級為一體化整體鍛造結(jié)構(gòu)之后，由于少了一道焊縫，在安全和性能上有很大提升。但還是出現(xiàn)例如密封回彈儲量不足；沖型時法蘭段金屬不能自由流變，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生等問題，于是就有了后續(xù)堆型錐段設(shè)計的出現(xiàn)，見圖1。

本文就目前壓力容器整體頂蓋設(shè)計中頂蓋法蘭過渡區(qū)域應(yīng)力集中的問題進行了探討，通過不同堆型的比較闡述錐段對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋應(yīng)力分布的影響。為第三代核電壓力容器一體化頂蓋國產(chǎn)化工作提供依據(jù)。

1 分析方法及計算模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立反應(yīng)堆壓力容器頂蓋有限元模型，施加設(shè)計工況下的載荷包括設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、主螺栓預(yù)緊載荷及自重等進行分析，計算變形和應(yīng)力，并根據(jù)ASME B&PVC第III卷NB分卷[1]的相關(guān)規(guī)定對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋及法蘭按材料的應(yīng)力強度限制進行評定。

根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器頂蓋及法蘭幾何尺寸和加載條件的對稱性，使用軸對稱單元（PLANE42）建立反應(yīng)堆壓力容器頂蓋及法蘭模型見圖2。由于計算采用軸對稱模型，為獲得更為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)中開孔區(qū)域進行材料參數(shù)等效計算。材料的彈性模量需要進行折算的頂蓋開孔區(qū)和螺栓開孔區(qū)，見圖3所示。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器頂蓋示意圖

圖2 反應(yīng)堆壓力容器頂蓋及法蘭有限元模型

圖3 頂蓋開孔區(qū)示意圖

頂蓋開孔（控制棒驅(qū)動機構(gòu)貫穿孔）區(qū)材料楊氏模量折算按文獻[2]進行。螺栓開孔區(qū)按體積進行彈性模量折算，即為螺栓開孔區(qū)開孔前后材料總體積之比值。

2 計算結(jié)果

2.1 應(yīng)力分析結(jié)果

為了研究錐段的影響，分別建立同一堆型反應(yīng)堆壓力容器頂蓋有錐段和無錐段2個模型進行計算，取出壓力容器頂蓋法蘭圓弧過渡段區(qū)域的應(yīng)力分布圖進行比較，等效應(yīng)力強度分布結(jié)果見圖4。

圖4 有/無錐段頂蓋法蘭圓弧過渡段應(yīng)力分布

從應(yīng)力分布云圖中可見：在加了錐段之后，頂蓋法蘭圓弧過渡區(qū)（圖中應(yīng)力最大處）的數(shù)值明顯變小，整體應(yīng)力分布更加均勻。另外，無錐段模型的應(yīng)力集中點出現(xiàn)在頂蓋過渡段（高拉應(yīng)力區(qū)）位置為295 MPa，而加了錐段之后最大應(yīng)力點上移至錐段位置，避免了和高拉應(yīng)力區(qū)重復(fù)出現(xiàn)，最大應(yīng)力點也就197MPa，有效緩解應(yīng)力集中。

2.2 變形分析結(jié)果

頂蓋最外圍控制棒驅(qū)動機構(gòu)中心線位置的偏轉(zhuǎn)角度見表1，偏轉(zhuǎn)角度(α)示意圖見圖5?？梢婂F段設(shè)計的最外圍控制棒驅(qū)動機構(gòu)中心線位置的偏轉(zhuǎn)角度比較小，結(jié)構(gòu)安全性更好。

表1 最外圍驅(qū)動機構(gòu)中心線位置的偏轉(zhuǎn)角度

圖5 驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)角示意圖

2.3 對工藝的影響

以AP1000為代表的三代核電壓力容器相比之前的反應(yīng)堆壓力容器在設(shè)計和制造上更加嚴(yán)格，尤其是壓力容器頂蓋升級為一體化整體鍛造，頂蓋本體和法蘭部分不再由鍛件和板材拼焊而成，這樣的設(shè)計在制造上就少了一道焊縫，在安全和性能上有很大提升。但正是由于頂蓋為整體式鍛造并帶有大壁厚的法蘭，導(dǎo)致在整體鍛造成型中會遇見鍛造后流質(zhì)不均等問題[5]。

已經(jīng)有發(fā)生過因壓力容器頂蓋法蘭段厚度較大，在沖型時（沖型前后圖片見圖6）法蘭段金屬不能自由流變，補償近法蘭段金屬的變形，導(dǎo)致探傷時發(fā)現(xiàn)體積性的缺陷，使得壓力容器頂蓋報廢的事件[4]，這使得壓力容器一體化頂蓋成為整個壓力容器中形狀最復(fù)雜制造難點最大的部件之一，頂蓋法蘭過渡區(qū)域更是制造的難點，而錐段的設(shè)計解決了這一問題，錐段使得頂蓋法蘭過渡區(qū)域變寬，有利于沖型，見圖7。

圖6 不帶錐段沖型前后示意圖

圖7 帶錐段沖型前后示意圖

3 結(jié)語

通過有限元方法對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋在有無錐段結(jié)構(gòu)下的變形和應(yīng)力分析，得出結(jié)論如下：

①錐段結(jié)構(gòu)使得頂蓋法蘭圓弧過渡區(qū)的應(yīng)力分布更加均勻，同時最大應(yīng)力點上移至錐段位置，避免了和高拉應(yīng)力區(qū)重復(fù)出現(xiàn)。

②錐段設(shè)計的最外圍驅(qū)動機構(gòu)中心線位置的偏轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他堆型，結(jié)構(gòu)安全性好。

③錐段設(shè)計使得一體化整體鍛造的頂蓋法蘭過渡區(qū)域變寬，沖型時法蘭段金屬利于自由流變，有利于沖型，減少缺陷的產(chǎn)生。

[1]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范，第Ⅲ卷，第1冊，NB-3200分析法設(shè)計，2010.

[2]T.Slot,W.J.O’Donnel.Effective Elastic Constants for Thick Perforated Plates With Square and Triangular Penetration Patterns,Journal of Engineering for Industry,1971：1081-1088.

[3]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范，第Ⅱ卷，材料，D篇，性能，2010

[4]白玉棟，毛昌森，劉軍，AP1000反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋設(shè)計變更及問題處理[J].中國核能行業(yè)協(xié)會2010年中國核能可持續(xù)發(fā)展論壇論文集，132-137

[5]劉璐，吳洪.反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋鍛件制造質(zhì)量控制研究[J].熱加工工藝，2011，19.

Reactor Vessel;Closure Head Flange Region;Cone Part;Stress Distribution

Research on Cone Part Structure of Reactor Vessel Closure Head

TAO Hong-xin，HE Yin-biao，TANG Wei-hua
（Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute，Shanghai 200233）

Reactor vessel closure head flange region is the part of pressure boundary of the first loop,so it should be smoothness，stress uniformity and none local high stress.Research calculated the deformation and stress response of closure head flange region of different model under design conditions,shows the benefit of the cone part forging such as uniform stress distribution,avoids simultaneously with high tensile stress,good for stamps and so on.The results can be used for the third generation reactor vessel closure head.

1007-1423（2016）19-0003-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.19-.001

國家重大專項資助（No.2014ZX06002005）

陶宏新（1983-），男，江蘇蘇州人，碩士，工程師，研究方向為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

賀寅彪（1962-），男，浙江寧波人，研高，本科，研究方向為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

唐偉華（1985-），男，上海人，本科，工程師，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化

2016-06-03

2016-07-02