基于有限元分析法的鈉火事故下鋼覆面完整性分析

樸 君,杜海鷗

(中國原子能科學(xué)研究院，反應(yīng)堆工程技術(shù)研究，北京102413)

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基于有限元分析法的鈉火事故下鋼覆面完整性分析

樸 君,杜海鷗

(中國原子能科學(xué)研究院，反應(yīng)堆工程技術(shù)研究，北京102413)

中國實驗快堆鈉工藝間的鋼覆面結(jié)構(gòu)是防止泄漏的鈉與混凝土接觸的重要屏障，其完整性直接關(guān)系到鈉火事故下建筑結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性。本文以中國實驗快堆309管廊間作為研究對象，梳理了可能破壞鋼覆面結(jié)構(gòu)完整性的各項因素，基于池式鈉火分析軟件的輸出結(jié)果，在建立鋼覆面破損二維瞬態(tài)模型的基礎(chǔ)上，利用ANSYS熱-結(jié)構(gòu)耦合功能系統(tǒng)地分析了鋼覆面的應(yīng)力集中區(qū)的產(chǎn)生規(guī)律。研究表明，在發(fā)生超設(shè)計基準(zhǔn)的鈉泄漏鈉火事故時，鋼覆面上的漏鈉燃燒持續(xù)30min后，其厚度從3 mm腐蝕至1.53 mm，并在兩塊鋼板的焊接部兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，材料發(fā)生塑性變形，存在斷裂的風(fēng)險。本文的研究結(jié)果對后續(xù)快堆鋼覆面結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全評定方面具有一定的參考價值。

鋼覆面破損；ANSYS；池式鈉火

中國實驗快堆采用液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑。由于鈉的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，一旦發(fā)生泄漏事故，泄漏的鈉中包含的大量顯熱和燃燒過程中釋放出的大量的熱量會使房間中的壓力和溫度顯著升高。因此，在快堆安全分析中的設(shè)計基準(zhǔn)事故和超設(shè)計基準(zhǔn)事故中均考慮了不同規(guī)模鈉火事故的后果。為了防止高溫的漏鈉與混凝土結(jié)構(gòu)的直接接觸，抑制可能發(fā)生的鈉火蔓延，中國實驗快堆鈉工藝間均采用了混凝土上方敷設(shè)鋼覆面結(jié)構(gòu)的方式。在發(fā)生鈉泄漏事故時，若鋼覆面的完整性一旦遭到破壞，高溫的鈉與混凝土直接接觸，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的軟化、脫水、開裂等一系列后果，影響建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和完整性。

鈉火事故后果對鋼覆面結(jié)構(gòu)的影響主要有熱力學(xué)后果和化學(xué)后果。熱力學(xué)后果表現(xiàn)在發(fā)生鈉火的房間的溫度和壓力升高。房間內(nèi)氣體溫度和高溫鈉本身的不均勻分布可能會導(dǎo)致鋼覆面結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布變化?；瘜W(xué)后果包括鈉與鋼覆面材料的反應(yīng)，高溫的鈉對鋼材的腐蝕侵蝕作用顯著，會對鋼覆面結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕。

本項研究的目的在于，利用鈉火分析軟件對中國實驗快堆一回路309房間進(jìn)行熱動力學(xué)后果分析的基礎(chǔ)上，找出可以引起鋼覆面破損的各項因素，并對可能出現(xiàn)穿透性損傷的鋼覆面薄弱點從鈉火的熱動力學(xué)后果和化學(xué)后果的角度出發(fā)進(jìn)行有限元分析，判斷鈉火工況下的鋼覆面結(jié)構(gòu)能否保持結(jié)構(gòu)完整性。

1 鈉火熱動力學(xué)后果分析

快堆嚴(yán)重事故分析中的超設(shè)計基準(zhǔn)事故中考慮了一回路無保護(hù)套的外輔助管斷裂或泄漏的同時隔離閥關(guān)不住的情況[1]。在以往的鈉泄漏事故分析中，破口尺寸采用Dt/4方法來計算，而近年來在安全分析中更傾向于考慮全截面斷裂的情況。鈉凈化系統(tǒng)主管道尺寸為 89 mm×4.5 mm，在發(fā)生全截面斷裂事故時由泄漏流量計算公式計算出鈉的泄流量為81.49 kg/s。事故發(fā)生地點為一回路鈉凈化系統(tǒng)管廊(309房間)。309房間的地板面積為58.5m2，高3 m，額定通風(fēng)量為1 615m3/h，泄漏的鈉初始溫度為500℃。本事故保守假設(shè)虹吸破壞裝置不能起作用且光電感煙型報警器探測到鈉火并形成信號報警的時間取3 min，自動關(guān)閥門時間20s，泄漏時間共計200s，共流出16 298 kg?？紤]到該房間已布置漏鈉接收抑制盤，鈉燃燒量不超過其泄漏量的10%，因此最大燃燒量為 1 629.8 kg。

利用SPOOL池式鈉火分析軟件計算出了發(fā)生池式鈉火時地板結(jié)構(gòu)的溫度分布情況。如圖1所示，SPOOL程序適用于鈉冷快堆中鋪有鋼覆面房間內(nèi)不同通風(fēng)條件下池式鈉火的瞬態(tài)分析計算。該程序模擬鈉燃燒過程中鈉和氧氣的化學(xué)反應(yīng)、鈉燃燒熱在各種介質(zhì)中不同方式的傳遞、鈉氣溶膠的產(chǎn)生和沉積以及各種通風(fēng)條件下多種介質(zhì)間的質(zhì)量和能量交換等瞬態(tài)過程，描述了鈉燃燒過程中各種特征參數(shù)隨時間的變化[2]。

圖1 房間模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of room model

通過計算出了地板結(jié)構(gòu)和墻面混凝土結(jié)構(gòu)的溫度趨勢，如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，泄漏的鈉在鋼覆面上發(fā)生池式燃燒時，局部鋼覆面的最高溫度可達(dá)754 ℃，局部混凝土的溫度超過了混凝土脫水溫度(80 ℃)。中國原子能科學(xué)研究院的杜海鷗、王榮東等人的實驗數(shù)據(jù)表明，鈉池燃燒時實際測量到的最高溫度超過900 ℃，燃燒蒸汽相中的最高溫度超過 1 000 ℃，達(dá)到1 200 ℃[3]。

圖2 地板結(jié)構(gòu)溫度變化Fig.2 Temperature of floor structure

圖3 墻面混凝土溫度變化Fig.3 Temperature of wall concrete

2 鋼覆面破損機(jī)理分析

鋼覆面是快堆防鈉火設(shè)計中隔絕混凝土與高溫鈉直接接觸的主要防線。中國實驗快堆一回路鈉工藝間的地板和不高于1 010 mm的墻裙部分采用3 mm厚的不銹鋼覆面，并在鋼覆面和混凝土之間還設(shè)置了100 mm厚的絕熱層，高于1 010 mm的墻面和天花板采用6 mm厚的碳鋼覆面，并在鋼覆面和混凝土之間設(shè)置了5 mm厚的絕熱層紙。鋼覆面板焊接后通過槽鋼來支撐，槽鋼與安裝在混凝土中的預(yù)埋件相固定。

從熱動力學(xué)后果和化學(xué)后果的角度出發(fā)，通過分析能夠威脅到鋼覆面完整性的主要因素為以下三種：鋼板受熱膨脹；熱鈉腐蝕作用；水蒸氣積聚產(chǎn)生的壓力。

2.1 鋼板熱應(yīng)力

309房間地板鋼覆面由多塊大小不一的鋼板拼接而成。在局部鋼覆面上泄漏的鈉發(fā)生燃燒時局部鋼覆面受熱升溫，由于熱傳導(dǎo)其周圍溫度隨之升高，會引起鋼覆面的凸起變形。尤其在兩塊鋼板的焊接區(qū)，隱藏有加工時的殘余應(yīng)力，它會使任何外加應(yīng)力的作用加大(見 圖4)。此外，如果材料中有裂紋，則所有與之相垂直的應(yīng)力都會集中在裂紋周圍，致使裂紋尖端附近的應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力，出現(xiàn)塑性流變，因此存在材料破裂的隱患。因此在判斷鋼覆面結(jié)構(gòu)完整性時，有必要考慮鋼覆面熱應(yīng)力的影響。

圖4 鋼覆面變形示意圖Fig.4 Schematic diagram of steel liner deformation

2.2 高溫鈉腐蝕作用

據(jù)國外文獻(xiàn)報道[4]，高溫鈉與鋼材接觸時會發(fā)生鈉鐵氧化物熔融鹽型腐蝕，鈉燃燒產(chǎn)物——過氧化鈉與鈉-水(空氣中的水分)反應(yīng)產(chǎn)物——氫氧化鈉共同作用下會對鋼材產(chǎn)生腐蝕作用，產(chǎn)生鈉鐵復(fù)合型氧化物，且這種腐蝕作用在溫度高于500℃時尤為顯著，并隨著溫度的升高腐蝕速率按指數(shù)型規(guī)律增長(見圖5)，對鋼材帶來不可逆的損傷。通過鈉火熱動力學(xué)后果分析可知，漏鈉燃燒時鋼覆面的最高溫度超過了800℃，且燃燒初期的較長時間內(nèi)一直處在500℃以上的高溫環(huán)境中，會發(fā)生較為嚴(yán)重的熱鈉腐蝕作用。

圖5 腐蝕速率隨溫度變化關(guān)系Fig.5 Corrosion rates of steel in sodium

文獻(xiàn)[4]中報道了不同溫度下高溫鈉對不銹鋼材料的腐蝕速率，再結(jié)合上述鈉火熱動力學(xué)后果分析結(jié)果，可以得到鈉燃燒過程中發(fā)生的鋼板腐蝕情況。如圖6所示，經(jīng)過30min的燃燒腐蝕，鋼板的厚度由最初的3 mm只剩1.53 mm。

圖6 鋼覆面溫度與剩余厚度Fig.6 Temperature and residual thickness of steel liner

2.3 水蒸氣積聚產(chǎn)生的壓力

池式鈉火持續(xù)的時間相對較長，除向空氣散熱外，大量熱透過絕熱層向混凝土層傳到，混凝土溫度超過其脫水軟化溫度時會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象。由于鋼覆面結(jié)構(gòu)中未設(shè)計用于導(dǎo)出蒸汽的結(jié)構(gòu)，因此從混凝土釋放出來的水蒸氣積聚在鋼覆面板和絕熱層之間的狹縫內(nèi)，加劇鋼覆面板的膨脹隆起。利用混凝土脫水速率計算公式，再結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)的平均溫度變化，可以求出從混凝土中釋放出的水蒸氣的質(zhì)量以及相應(yīng)的等效壓強(qiáng)。

3 鋼覆面破損模型有限元分析

通過上述分析可知，可能對鋼覆面結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生威脅的因素有三種。出于保守假設(shè)的原則，假設(shè)鋼覆面的某一位置，上述三種因素同時疊加出現(xiàn)(見圖7)，并對建立的模型進(jìn)行有限元分析。

圖7 破損因素示意圖Fig.7 Schematic diagram of fracture factor

如圖8所示，具體分析有兩種情況：(a) 漏鈉形成一定高度的鈉池時，被鈉池淹沒的垂直壁面上的焊接處；(b) 水平放置的地板鋼覆面焊接處，上部有漏鈉燃燒。

圖8 鋼覆面破損模型的兩種情形Fig.8 Two cases of liner’s failure model

3.1 建立分析模型

基于上述分析，建立了二維的計算模型，腐蝕深度考慮1.5 mm，模型尺寸分別是兩塊 10 cm長的鋼板和1 cm寬的焊接部，其中一塊鋼覆面的厚度為3 mm，另一塊存在漏鈉的鋼覆面厚度為1.5 mm。該模型可同時包絡(luò)上述兩種情況下的鋼覆面變化。

鋼覆面材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，焊接部分采用E308焊條。鋼材的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)參數(shù)受溫度影響較大，因此材料參數(shù)的輸入考慮了溫度的影響，材料的部分物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼覆面材料的物理性能參數(shù)[5]

3.2 定義邊界條件，進(jìn)行求解

施加在鋼覆面破損模型上的邊界條件分為結(jié)構(gòu)邊界條件和熱邊界條件。結(jié)構(gòu)邊界條件包括：強(qiáng)制位移載荷、壓強(qiáng)載荷；熱邊界包括：上表面溫度場載荷、下表面對流載荷。其中的溫度場來自SPOOL軟件的計算輸出，以隨時間變化的函數(shù)形式加載到模型中。

在用ANSYS來模擬計算溫度場和應(yīng)力場時采用直接耦合法，使用四結(jié)點二維耦合場單元PLANE13[6]，同時計算得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果。

圖9 鋼覆面溫度與位移分布Fig.9 Distribution of steel liner’s temperature and displacement(a) 溫度分布;(b) 位移分布

4 結(jié)果分析及討論

4.1 溫度場分布和位移云圖

圖9示出了有漏鈉一側(cè)鋼覆面在燃燒 1 800 s 后的溫度場分布和位移云圖。從圖中可以看出，由于鋼覆面厚度較薄，在其厚度方向上幾乎不存在溫度梯度，而兩塊鋼覆面的接觸部分存在較大的溫度梯度，因此可能會出現(xiàn)相應(yīng)的熱應(yīng)力。在1 800 s時刻，鋼覆面Y方向最大位移達(dá)到了6.1 mm，最大位移出現(xiàn)在存在漏鈉的鋼覆面中心部位。

4.2 應(yīng)力場云圖

圖10分別示出了1 800 s時刻沿鋼覆面上、下表面的應(yīng)力變化趨勢。其中前0～0.1 m部分為變形較為嚴(yán)重的鋼覆面，0.1～0.11 m部分溫焊接處，焊接部分的兩個端部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中。最大等效應(yīng)力1.7 GPa超過了材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度，材料出現(xiàn)了塑性變形。

圖10 上、下表面的等效應(yīng)力分布Fig.10 Von Mises stress distribution of upper surface and lower surface(a) 沿上表面的等效應(yīng)力變化；(b) 沿下表面的等效應(yīng)力變化

從圖10中可以看出，應(yīng)力集中點位于兩塊鋼覆面焊接連接處，且未腐蝕鋼覆面一側(cè)焊接部分的應(yīng)力更大。圖11是出現(xiàn)應(yīng)力最大值的點在0～1 800 s內(nèi)的等效應(yīng)變的變化情況。

圖11 應(yīng)變變化趨勢Fig.11 Variable trend of strain

在整個鈉燃燒過程中焊接部分的應(yīng)變顯著增加，最大應(yīng)變?yōu)?.2%。

5 結(jié)論

本文基于池式鈉火分析軟件SPOOL計算得到的熱動力學(xué)后果作為輸入，對鋼覆面破損模型進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元分析。通過計算可知，在發(fā)生超設(shè)計基準(zhǔn)鈉火事故時在熱應(yīng)力和熱鈉腐蝕等諸多作用因素下，309房間地板不銹鋼鋼覆面存在斷裂的風(fēng)險。因此，在后

續(xù)的快堆鈉工藝間鋼覆面設(shè)計過程中，有必要對鋼覆面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以從以下幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步探討：

(1) 采用能夠緩和應(yīng)力集中的鋼覆面連接方式；

(2) 在材質(zhì)的選擇上，考慮高溫性能更好且能夠更好抵御熱鈉腐蝕的材料；

(3) 在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置氣體導(dǎo)出管，防止水蒸氣等氣體的積聚。

[1] 田和春.中國實驗快堆初步安全分析報告:事故分析[R]. 北京：中國原子能科學(xué)研究院,2003:156-159.

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Integrity Analysis of Steel Liner Under Sodium Fire Based on the FEM

PIAO Jun, DU Hai ou

(China Institute of Atomic Energy，P. O. Box 275-34，Beijing 102413，China)

The steel liner of CEFR sodium cell is an important boundary which can prevent the contact of leaking sodium and concrete，and its integrity will effect the integrity and reliability of buildings directly when sodium fire happens. The paper takes 309 sodium cell of CEFR as research subject, and sorts the influencing factors of steel liner’s integrity. The paper also analysis the distribution of the stress and strain by means of ANSYS thermal structural coupling, on the basis of steel liner’s failure two-dimensional transmit model. The study shows that the steel liner in BDBA sodium fire will be corroded from 3 mm to 1.53 mm after 30 min firing of leaking sodium. And at the same time, there will be an area of stress concentration at the welding portion between two steel liners, which will lead to the plastic deformation or even fracture. The study results have value for the steel liner’s structure design and safety assessment.

Steel liner’s failure；ANSYS；Sodium pool fire

2016-12-27

樸 君(1988—)，男，吉林延邊人，助理工程師，碩士，主要從事鈉火探測與消防研究工作

TL43

A

0258-0918(2017)02-0257-06