基于Ansys的高溫氣冷堆反應堆壓力容器翻轉工裝應用研究

包鑫，鐘火軍

（1.中核能源科技有限公司，北京 100193；2.廣東省特種設備檢測研究院，廣東 廣州 510000）

高溫氣冷堆核電站示范工程是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的200MW級高溫氣冷堆核電站，是國家16個重大專項之一。高溫氣冷堆RPV吊裝是項目建設的關鍵施工作業(yè)之一。RPV外形結構不同于以往核電，其筒體凈重594t，外徑6.376m，全長27.505m，重量和尺寸為目前核電項目中最大的壓力容器。

僅用吊車和吊具無法完成RPV從出廠至反應堆艙室就位工作，還需要必要的工裝，使RPV由臥式水平翻轉至豎立狀態(tài)，在RPV吊裝過程中起著重要作用。結合RPV的外形結構尺寸和重量等參數(shù)，翻轉工裝采用弧形翻轉鋼結構設計，主體結構采用H型鋼進行制造，總長13m。將RPV與翻轉工裝裝配一起并采用鋼絲繩固定為一體后進行整體翻轉至豎直狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 裝有RPV的翻轉支架圖

翻轉工裝能否滿足使用需求，應通過計算分析進行驗證。

1 RPV翻轉工裝分析思路和參數(shù)選擇

1.1 力學分析思路

在RPV和工裝翻轉的過程中，以RPV水平0°及RPV完全豎直90°為兩個極限位置，并在RPV從水平到豎直的整個翻轉過程中，從0°～90°按18°等分為6個位置作為計算點，并對其進行基于Ansys的有限元分析，估計判斷RPV最大應力發(fā)生的位置及數(shù)值。

1.2 參數(shù)選擇

本文以軟件Ansys為工具，實現(xiàn)RPV有限元自動分析，提高了分析工作效率。

RPV整體結構的主體部分材質(zhì)為SA508，鋼結構材質(zhì)為Q390A，因此本文采用SOLID45單元模擬RPV的結構，取翻轉工裝材料和RPV本體的彈性模量E=2.12×1011N/m2，泊松比m=0.288，密度ρ=7860kg/m3。

2 有限元建模和網(wǎng)格劃分

2.1 有限元建模

采用在Ansys建模過程中經(jīng)常采用的自底向上（即點-線-面-體）的建模方式，由低級圖元逐層形成高級圖元的建模過程，并對模型做了基本簡化。

2.2 有限元劃分網(wǎng)格

對RPV主體結構采用Ansys的高級網(wǎng)格劃分技術——掃略網(wǎng)格劃分方法，對部分無法進行掃略網(wǎng)格劃分的結構進行自由網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 RPV和翻轉工裝有限元網(wǎng)格模型

3 有限元分析

根據(jù)1.1節(jié)6個位置，應用軟件Ansys對翻轉工裝進行有限元分析計算，判斷其最大應力出現(xiàn)的位置和最大應力值。在翻轉的過程中，RPV本體自身重力是工裝所承受的最主要載荷，起重機吊裝產(chǎn)生的牽引力用位移約束代替，對某一具體位置下翻轉工裝與地面相接處的面在垂直方向的位移進行約束，避免其在垂直方向的運動。

3.1 初始位置（位置1，RPV水平放置）

當RPV水平放置時，最大應力出現(xiàn)在RPV最前端支撐處，最大值為61.574MPa，變形量為2.737mm，如圖3所示。

圖3 RPV水平位置（位置1）等效應力云圖

3.2 RPV和翻轉工裝從水平翻轉到垂直狀態(tài)

翻轉過程中從位置18°到位置90°，5個計算點進行有限元靜力學分析，判斷最大應力出現(xiàn)的位置及數(shù)值。RPV此時在大吊車提升作用下進行翻轉，對工裝的壓力小于其本體重量，但為施工安全考慮，工裝所受RPV作用力取RPV本體重量，翻轉工裝18°位置等效應力云圖如圖4所示。

圖4 翻轉工裝等效應力圖（18°位置）

經(jīng)過計算，6個位置的最大等效應力及位置見表1。

表1 各位置應力值統(tǒng)計表

工裝最大應力243.009MPa，小于Q390A許用應力極限275MPa（屈服極限390MPa/安全系數(shù)1.42），滿足《鋼結構設計規(guī)范》附錄A的要求，因而經(jīng)有限元分析該翻轉工裝可以滿足翻轉受力強度要求。

4 結語

基于經(jīng)典的大型有限元分析軟件Ansys對核電站RPV翻轉鋼結構工裝的受力狀況進行了分析，選擇了RPV在翻轉過程中的幾種典型工況，對翻轉工裝結構進行有限元分析，并對計算結果進行了比較，計算結果表明，集中應力均小于材料的許用應力，RPV翻轉工裝的設計是合理的，采用此工裝進行RPV翻轉吊裝是可行的。