1000 MW級(jí)核電站上充泵外殼體熱固耦合分析

張世義，黃志祥，王天周，雪增紅，陳平偉

(1.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033)

引言

1000 MW核電站上充泵的工作環(huán)境十分復(fù)雜，處于瞬間變化的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)和熱變形場(chǎng)中。在變化的熱沖擊作用下，對(duì)上充泵泵體的一些關(guān)鍵部位可能造成損害，在密封區(qū)間或強(qiáng)應(yīng)力處也可能發(fā)生損毀現(xiàn)象，找到應(yīng)力最大的地方，計(jì)算泵殼體材料應(yīng)力強(qiáng)度是否滿足核電規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。熱沖擊作用下引起泵殼整體結(jié)構(gòu)的熱變形，會(huì)導(dǎo)致泵中的運(yùn)動(dòng)部件和靜止部件之間的間隙發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)泵的轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，對(duì)熱變形進(jìn)行定量計(jì)算非常重要。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵殼的熱分析做了大量的研究。陸鈞成等[1]采用CFD仿真軟件對(duì)不同大小和形狀的水泵進(jìn)出口結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。權(quán)凌霄等[2]用有限元仿真軟件對(duì)柱塞泵殼體進(jìn)行分析，找到泵殼體結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)的區(qū)域。代翠等[3]通過有限元實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)值分析2種方法進(jìn)行對(duì)比，得出兩種方法的結(jié)果基本一致，可以推出有限元模態(tài)分析結(jié)果準(zhǔn)確性較高，可以準(zhǔn)確的反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的特性。徐鵬等[4]基于熱固耦合理論對(duì)船舶蒸汽系統(tǒng)管模型進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算精度滿足工程需要。HE X等[5]對(duì)泵殼施加6種不同的載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，得出最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度極限，滿足泵殼的設(shè)計(jì)要求。唐堃等[6]對(duì)泵殼密封墊圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。KONG F等[7]采用熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法對(duì)熱水循環(huán)泵進(jìn)行性能分析，主要是從熱固耦合理論上分析泵殼的熱力學(xué)性能，表明運(yùn)用熱固耦合理論對(duì)泵體進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算比較可靠。王文博等[8]選擇核電站安全殼噴霧泵對(duì)泵內(nèi)表面施加熱負(fù)荷，進(jìn)行熱沖擊計(jì)算，并與ASME II確定的允許應(yīng)力相比較，符合核電設(shè)備安全要求，將地震動(dòng)分析與熱沖擊分析進(jìn)行對(duì)比，但其設(shè)置的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，對(duì)泵的熱應(yīng)力分析可以進(jìn)一步加深。付強(qiáng)等[9]對(duì)離心泵泵體進(jìn)行了熱固耦合分析，采用應(yīng)力疊加法和間接耦合法對(duì)泵殼進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，2種方法評(píng)定的結(jié)果基本一致，但將泵殼模型簡化為二維，可以進(jìn)一步研究泵殼三維熱力學(xué)性能。曹衛(wèi)東等[10]研究水泵在高溫?zé)崴饔孟卤脙?nèi)運(yùn)動(dòng)部件和靜止部件的間隙，得出水泵的口環(huán)間隙與介質(zhì)的溫度有關(guān)。渠成堃等[11]研究裂隙對(duì)熱傳導(dǎo)的阻礙影響，對(duì)間隙、裂隙等處進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，但由于泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同位置的換熱系數(shù)也不一樣，需要對(duì)泵殼不同的位置進(jìn)行熱力計(jì)算。綜上所述，熱固耦合理論對(duì)泵體熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，但由于泵殼結(jié)構(gòu)的特殊性，需要對(duì)其進(jìn)行三維熱固耦合分析，對(duì)不同位置進(jìn)行熱力計(jì)算。而目前針對(duì)核電站循環(huán)水泵的三維熱沖擊計(jì)算及研究尚屬空白。

本研究建立了1000 MW核電站循環(huán)水泵(離心式上充泵)準(zhǔn)確的外殼模型，采用有限元ANSYS軟件，先分析泵外殼體溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)耦合傳熱模型，再對(duì)外殼體瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)泵殼不同位置進(jìn)行熱力分析，最后由瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算出熱應(yīng)力，并用2種方法對(duì)熱應(yīng)力進(jìn)行了評(píng)定。

1 工況分析及計(jì)算模型

1.1 工況分析

上充泵為核安全Ⅱ級(jí)設(shè)備，是核電站冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水泵，屬于一種離心式上充泵。其在復(fù)雜的工作環(huán)境下，流體介質(zhì)溫度在瞬時(shí)會(huì)由7 ℃上升至120 ℃，或在4 h內(nèi)由120 ℃降至60 ℃。這種熱沖擊的現(xiàn)象使得泵體的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生巨大的改變，很有可能就超過材料所能承受的極限應(yīng)力。該泵在工作過程中，需要保證結(jié)構(gòu)完整性以及功能的完好性，即泵外殼體在最高應(yīng)力下不會(huì)被損傷，其泵體與泵內(nèi)部件的間隙也在合理的變化范圍內(nèi)，在最大的熱沖擊作用下泵能正常運(yùn)行。

1.2 計(jì)算模型

計(jì)算泵體溫度場(chǎng)的精度主要由模型的建立決定，而ANSYS軟件針對(duì)復(fù)雜的零件建模存在不足，本研究的模型在SolidWorks建模軟件中實(shí)現(xiàn)，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，為有限元計(jì)算提供了預(yù)模型。泵殼計(jì)算域網(wǎng)格如圖1所示?？紤]到ANSYS軟件兼容性及整體模型的幾何特征，本研究對(duì)上充泵外殼體進(jìn)行了自動(dòng)網(wǎng)格劃分，在一些關(guān)鍵部位進(jìn)行了加密，最終獲得泵上體的單元數(shù)為1360847，網(wǎng)格數(shù)為78287。

圖1 泵殼計(jì)算域網(wǎng)格

1.3 外殼體熱固耦合與邊界條件載荷處理

1) 殼體內(nèi)壁溫度邊界條件

上充泵內(nèi)壁的換熱邊界條件施加在泵內(nèi)壁的接觸面上。而由于泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其介質(zhì)在泵內(nèi)各處的流速各不相同，換熱的系數(shù)也不一樣，其值是很難精確測(cè)量的，但是技術(shù)規(guī)范中明確指定了內(nèi)壁的溫度值，因此，本研究使用技術(shù)規(guī)范的溫度需作為溫度邊界條件。

技術(shù)規(guī)范中給出了2個(gè)溫度載荷，由7 ℃上升至120 ℃時(shí)的階躍載荷和內(nèi)壁溫度在4 h內(nèi)由120 ℃下降至60 ℃的斜坡載荷。由于斜坡載荷產(chǎn)生的熱沖擊效應(yīng)明顯低于階躍載荷，因此本研究僅對(duì)階躍載荷進(jìn)行熱沖擊計(jì)算。設(shè)置10 s內(nèi)溫度由7 ℃上升至120 ℃，之后一段時(shí)間保持120 ℃不變。圖2給出了內(nèi)壁溫度瞬時(shí)由7 ℃上升至120 ℃時(shí)的階躍載荷。

圖2 內(nèi)壁溫度瞬時(shí)由7 ℃上升至120 ℃

2) 外殼體外壁換熱邊界條件

外殼體外壁暴露于大氣環(huán)境中，與周圍環(huán)境的換熱不強(qiáng)，因此換熱系數(shù)不大。本次計(jì)算取換熱系數(shù)為50 W/(m2·K)，介質(zhì)溫度取120 ℃，環(huán)境溫度取22 ℃。

3) 內(nèi)壁壓力載荷

上充泵入口的最大吸入壓力為2.1 MPa，泵可以達(dá)到的最大揚(yáng)程為18.6 MPa。最大壓力荷載即是兩者之和，即20.7 MPa。

4) 考慮安裝的約束載荷

泵座安裝在泵殼體的一端，所以對(duì)泵殼體一端面進(jìn)行固定約束，在施加固定約束后，因溫度變化，泵殼端面受力隨時(shí)間發(fā)生變化，同時(shí)，對(duì)整個(gè)泵殼體施加重力場(chǎng)約束，更能說明實(shí)際情況。

5) 阻尼載荷

參考美國核管理委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，螺栓連接結(jié)構(gòu)在操作基準(zhǔn)地震(SSE)載荷下的阻尼比為7%，在安全停堆地震(OBE)載荷下阻尼比為5%。

表1 典型物項(xiàng)的阻尼比

6) 外殼體采用1Cr18Ni9Ti，其參數(shù)如表2所示。

表2 上充泵外殼材料參數(shù)

2 瞬時(shí)熱瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算

由圖3～圖4可以看出，上充泵泵殼的穩(wěn)態(tài)溫度中間比兩端高，內(nèi)部比外壁高。

2.2 不同時(shí)刻整體溫度分布計(jì)算

外殼體內(nèi)壁瞬時(shí)溫度由7 ℃升至120 ℃時(shí)瞬時(shí)溫度的計(jì)算，如圖5所示，總的來說，外殼體整體的溫度是變化較為均勻，溫度分布結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)：

圖3 殼體穩(wěn)態(tài)剖面溫度分布

圖4 殼體穩(wěn)態(tài)外部壁面溫度分布

圖5 殼體不同時(shí)刻溫度分布

(1) 在1 s時(shí)，泵外殼的熱量傳遞主要在內(nèi)壁附近，溫度分布基本未受外壁對(duì)流傳熱影響；

(2) 在1～5 s的時(shí)間范圍內(nèi)，熱量開始向外傳遞，但是外壁對(duì)流換熱對(duì)溫度分布的影響仍然很小，溫度分布的主要因素是泵材料的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)；

(3) 在5～12.33 s的時(shí)間范圍內(nèi)，熱量傳遞到外壁后被外壁的對(duì)流傳熱作用帶走；

(4) 在12.33～13 s的時(shí)間范圍內(nèi)，溫度分布基本一致，達(dá)到溫度穩(wěn)定狀態(tài)。

3 瞬時(shí)熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

熱應(yīng)力分析采用間接法，在計(jì)算溫度場(chǎng)分布的前提下，再進(jìn)行以下3個(gè)部分的計(jì)算：整個(gè)過程的熱應(yīng)力分布、位移分布及不同的節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力線性化結(jié)果分析。

3.1 不同時(shí)刻整體等效應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果及分析

在瞬時(shí)溫度由7 ℃上升到120 ℃的階躍載荷作用下，如圖6所示：上充泵外殼不同時(shí)刻等效應(yīng)力分布圖中，最大VonMises應(yīng)力[12]為106.74 MPa，遠(yuǎn)小于外殼材料的允許應(yīng)力(外殼材料中的最小抗拉強(qiáng)度為580 MPa，最小屈服強(qiáng)度為230 MPa)。在強(qiáng)度上能承受此種強(qiáng)度的熱載荷沖擊，符合核電規(guī)范要求。

圖6 不同時(shí)刻等效應(yīng)力分布

3.2 不同時(shí)刻整體位移分布計(jì)算結(jié)果及分析

圖7為不同時(shí)刻外殼體整體變形圖，可以看出，最大變形量發(fā)生在外殼體右端部為1.867 mm，小于外殼與內(nèi)殼之間的間隙2 mm，不會(huì)發(fā)生外殼與內(nèi)殼之間的碰撞。它不會(huì)影響泵轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性能，滿足核電規(guī)范要求。

圖7 不同時(shí)刻整體位移圖

3.3 不同節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力線性化結(jié)果及分析

不同路徑定義位置如圖8～圖9所示，一共定義9個(gè)不同的點(diǎn)，主要選取工況比較復(fù)雜的地方，在泵殼孔較多的地方和端部，包括總體結(jié)構(gòu)連續(xù)區(qū)域的定義路徑和不連續(xù)區(qū)域的定義路徑，使其研究更具有針對(duì)性。

圖8 定義路徑位置

圖9 等效應(yīng)力線性化路徑

定義路徑位置的溫度隨時(shí)間的變化而變化，泵殼的受力情況也會(huì)隨之發(fā)生變化。為了更加清晰的表達(dá)這個(gè)過程泵體各定義位置的應(yīng)力變化情況，下面對(duì)該過程進(jìn)行等效應(yīng)力線性化結(jié)果分析。

圖10～圖13可以得出，從1 s到13 s各個(gè)位置的應(yīng)力變化圖，熱應(yīng)力受到外壁對(duì)流換熱的影響不斷發(fā)生變化。在12.33 s達(dá)到穩(wěn)定，一直到13 s應(yīng)力變化基本相同。

圖10 1 s路徑線性化結(jié)果

圖11 5 s路徑線性化結(jié)果

圖12 12.33 s路徑線性化結(jié)果

圖13 13 s路徑線性化結(jié)果

3.4 應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究選用主要應(yīng)力加次要應(yīng)力強(qiáng)度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[13]。其中應(yīng)力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Sm=164 MPa，則3×Sm=492 MPa。應(yīng)力強(qiáng)度值σ=pL+pb+Q，其中，pL為一次局部應(yīng)力，pb為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力。

使用應(yīng)力疊加和間接耦合2種評(píng)定方法。應(yīng)力疊加法是用求解的熱應(yīng)力與壓應(yīng)力，將同一路徑上2個(gè)端點(diǎn)的同名應(yīng)力分量疊加，間接耦合法是將所求解經(jīng)過線性化處理后，提取ANSYS在MEMBRANE PLUS BENDING中給出的SINT用于不同的路徑。表3比較了2種評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以得出，2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同。應(yīng)力疊加法得出最大應(yīng)力強(qiáng)度在外殼體I處內(nèi)壁上，總應(yīng)力強(qiáng)度為107.76 MPa。間接耦合方法也發(fā)生在外殼I處，組合的總應(yīng)力強(qiáng)度為106.45 MPa。

表3 兩種評(píng)定結(jié)果的比較 MPa

4 結(jié)論

建立了1000 MW核電站離心式上充泵外殼模型，采用有限元ANSYS軟件對(duì)上充泵外殼在瞬時(shí)溫度由7 ℃上升到120 ℃的階躍載荷作用下進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)熱瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算熱應(yīng)力，包括等效應(yīng)力分布、整體位移分布、等效應(yīng)力線性化結(jié)果，通過2種方法對(duì)熱應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定,得出以下結(jié)論：

(1) 上充泵外殼體中內(nèi)表壁的熱應(yīng)力比外表壁的熱應(yīng)力大。最大VonMises應(yīng)力為106.74 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外殼體材料的許用應(yīng)力，符合核電規(guī)范要求；

(2) 最大變形量為1.867 mm，小于外殼體與內(nèi)殼體之間的間隙，不會(huì)發(fā)生外殼體與內(nèi)殼體碰撞的現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)泵的轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，滿足核電規(guī)范要求；

(3) 選用應(yīng)力疊加法和間接耦合2種評(píng)定方法，通過2種評(píng)定結(jié)果的對(duì)比，可以得出2種方法的評(píng)定結(jié)果基本一致。應(yīng)力疊加法得出最大應(yīng)力強(qiáng)度在外殼體I處內(nèi)壁上，總應(yīng)力強(qiáng)度為107.76 MPa。間接耦合法求解最大應(yīng)力強(qiáng)度也發(fā)生在外殼體I處內(nèi)壁上，組合的總應(yīng)力強(qiáng)度為106.45 MPa。