ASME-NB規(guī)范級容器的應(yīng)力分析探討

劉偉東，付 濤，袁 寧，元世海，季敏東

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

美國ASME規(guī)范是現(xiàn)今世界公認(rèn)的技術(shù)內(nèi)容最完整、技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力鍋爐及壓力容器綜合標(biāo)準(zhǔn)體系。包括了從設(shè)計(jì)、材料、制造和檢驗(yàn)、在役檢查等非常全面的動(dòng)力鍋爐及壓力容器建造內(nèi)容。ASME規(guī)范第Ⅲ卷為專門針對核安全設(shè)施部件建造所編制的規(guī)范。所涉及的技術(shù)、理論是非常復(fù)雜，但卻又是技術(shù)、理論最先進(jìn)的。眾所周知，核安全設(shè)備若出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，其對公眾、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會的影響是無法估量的。本文以某核1級壓力容器設(shè)備為例，對按ASME規(guī)范2019版第Ⅲ卷NB分卷設(shè)計(jì)的容器的應(yīng)力分析進(jìn)行深入的闡述，目的在于能給核安全設(shè)備設(shè)計(jì)者提供一些參考。

1 某核1級容器簡介

1.1 容器概述

該容器用于存放具有強(qiáng)放射性的介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，主要部件為左右封頭、筒體、4件接管及人孔組件，通過雙鞍座支承，一個(gè)為滑動(dòng)鞍座，一個(gè)為固定鞍座(見圖1)。設(shè)備筒體、封頭名義厚度均為26 mm，鞍座墊板厚度為26 mm，鞍座其余零部件厚度均為16 mm，封頭、筒體、鞍座的材料均為SA-516M Gr.485，接管材料為SA-106M Gr.C，人孔座的材料為SA-105M。

圖1 某核1級容器簡圖

1.2 容器設(shè)計(jì)要求

1)規(guī)范等級。容器為1級部件，支承為1級支承。設(shè)計(jì)和分析須滿足NB- 3000和NF- 3000的要求。

2)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和試驗(yàn)載荷。設(shè)計(jì)載荷：設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa；設(shè)計(jì)溫度為100℃。運(yùn)行載荷：運(yùn)行壓力為0.7 MPa；運(yùn)行溫度為70℃。

3)接管上的管道載荷。接管上的管道載荷如表1所示。

表1 接管上的管道載荷

4)試驗(yàn)載荷。容器完成后須進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，容器應(yīng)考慮滿水載荷。

5)地震載荷。地震加速度水平方向：DBE：0.2 g，SSE：0.4 g，沿X軸 (見圖1)。除上述載荷外，不考慮其他機(jī)械載荷。

1.3 材料屬性

材料的彈性模量：E=2.02×105MPa (試驗(yàn)溫度)；E=1.98×105MPa(設(shè)計(jì)溫度)，其余屬性如表2所示。

表2 材料屬性

2 容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

容器按ASME NB分卷設(shè)計(jì)，而NB分卷為以應(yīng)力分析為主的規(guī)范，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用ASME NB分卷的規(guī)則公式進(jìn)行試算，最終采用應(yīng)力分析的方法進(jìn)行驗(yàn)證。故對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不作過多的闡述，可以參照NB-3000章筒體、封頭等相關(guān)規(guī)則公式進(jìn)行容器的主要承力部件材料規(guī)格初步確定。

對于鞍式支座的設(shè)計(jì)，可參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者相關(guān)參考書(比如文獻(xiàn)[6])進(jìn)行。對于人孔法蘭螺栓連接件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)按ASME規(guī)范第Ⅲ卷附錄Ⅺ。后續(xù)按ASME規(guī)范整個(gè)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析。

3 容器疲勞設(shè)計(jì)

4 應(yīng)力分析

根據(jù)ASME NB分卷及容器設(shè)計(jì)規(guī)格書規(guī)定，須進(jìn)行6個(gè)工況計(jì)算分析，分別為設(shè)計(jì)工況、A、B、C、D級工況和試驗(yàn)工況。

4.1 幾何模型及網(wǎng)格

為得到更準(zhǔn)確的應(yīng)力分布，計(jì)算采用整體模型、幾何模型及網(wǎng)格(見圖2和圖3)。網(wǎng)格采用以六面體為主的網(wǎng)格劃分，有限元模型最終單元數(shù)為4 476 116，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 128 520。

圖2 整體幾何模型 圖3 模型網(wǎng)格

4.2 載荷組合及工況

載荷組合及工況如表3所示。

4.3 邊界條件和載荷

固定鞍座：△X=0，△Y=0，△Z=0。

滑動(dòng)鞍座：△X=Free，△Y=0，△Z=0。

4.3.1 設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)壓力：1.0 MPa，自重加速度：9.806 mm/s2，由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力如表4所示，接管上的管道載荷如表1所示。考慮由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力公式：P等效=-PDi2/(Do2-Di2)，其中P為內(nèi)壓，Di為接管內(nèi)徑，Do為接管外徑，“-”表示拉伸載荷。

表4 各種工況下接管等效軸向應(yīng)力 單位：MPa

4.3.2 A、B、C、D級工況

A、B、C級工況設(shè)計(jì)壓力：均為0.7 MPa，D級工況設(shè)計(jì)壓力：1.0 MPa，自重加速度均為：9.806 mm/s2。各工況下由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力如表4所示。同時(shí)，考慮最高水位線差生的液體壓力。B級工況需要考慮0.2 g的地震加速度，C、D級工況需要考慮0.4 g的地震加速度。

4.3.3 水壓工況

水壓工況下，內(nèi)壓為1.3 MPa，自重加速度均為：9.806 mm/s2。同時(shí)，考慮容器滿水產(chǎn)生的液體壓力。由內(nèi)壓引起的接管等效軸向應(yīng)力如表4所示。

4.4 應(yīng)力線性化路徑及限制條件

4.4.1 應(yīng)力線性化路徑

結(jié)合ASME規(guī)范及設(shè)備的實(shí)際情況，設(shè)備的總體和局部應(yīng)力線性化路徑分別如圖4～11所示。

圖4 筒體和封頭 圖5 人孔

圖6 接管1、接管2 圖7 接管3

圖8 接管4 圖9 支座

4.4.2 應(yīng)力限制條件

應(yīng)力限制條件如表5所示。

表5 應(yīng)力限制條件

5 應(yīng)力結(jié)果評定及驗(yàn)證

5.1 各工況總體應(yīng)力

各工況下，設(shè)備總體應(yīng)力云圖，分別如圖12～17所示。

圖12 設(shè)計(jì)工況 圖13 A級工況

圖14 B級工況 圖15 C級工況

圖16 D級工況 圖17 水壓試驗(yàn)工況

從各工況的應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)均位于人孔和封頭連接處，此處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，且結(jié)構(gòu)尺寸突變趨勢最大。

5.2 應(yīng)力分類評定

限于篇幅，本文不列出結(jié)果，最終所有路徑的應(yīng)力分類均滿足規(guī)范中限制條件的要求。

5.3 鞍式支座的屈曲分析

對于鞍式支座，在ASME規(guī)范上沒有相關(guān)屈曲分析的方法。本文采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模塊進(jìn)行分析，將支座承受的最大支承載荷(設(shè)備滿水和地震，垂直最大荷載為21.21 kN，水平最大荷載為8.484 kN)施加于支座上，求解得到其臨界屈曲因子，并根據(jù)ANSYS屈曲計(jì)算理論，臨界屈曲因子大于1，則合格。計(jì)算結(jié)果如圖18～19所示。其1、2階屈曲因子均大于1，可知屈曲分析合格。

圖18 1階屈曲計(jì)算 圖19 2階屈曲計(jì)算

5.4 應(yīng)力結(jié)果的驗(yàn)證

根據(jù)ASME-NCA-4000章(2019版)及對應(yīng)的NQA-1 PART Ⅱ等章節(jié)對計(jì)算機(jī)程序的要求，若不能滿足規(guī)范中這些章節(jié)規(guī)定的計(jì)算機(jī)程序開發(fā)質(zhì)保要求，可采用每次驗(yàn)證設(shè)計(jì)分析結(jié)果對應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以保證計(jì)算機(jī)程序的使用滿足ASME規(guī)范要求。

通常，可通過文獻(xiàn)查找相關(guān)一次、二次應(yīng)力計(jì)算的解析解來對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如文獻(xiàn)[6]中橢圓封頭的應(yīng)力計(jì)算公式。對于接管局部應(yīng)力，可用WRC公報(bào)或EN13445等中的解析解進(jìn)行驗(yàn)證。

6 結(jié)語

本文以按ASME-NB分卷設(shè)計(jì)的壓力容器為例，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析等方面進(jìn)行了論述，可為按ASME規(guī)范第Ⅲ卷開展壓力容器分析設(shè)計(jì)的工作者提供借鑒，主要有以下幾方面。

1)按ASME-NB分卷開展應(yīng)力分析的應(yīng)力限制條件的確定。

2)文中壓力容器的應(yīng)力線性化路徑可供類似壓力容器的線性化路徑選取參考。

3)對于無規(guī)范或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈曲分析，可考慮采用ANSYS Workbench的特征值屈曲模塊開展屈曲分析。

4)對于應(yīng)力結(jié)果的解析驗(yàn)證，可從文獻(xiàn)、WRC公報(bào)、EN13445等處查找相關(guān)解析解進(jìn)行驗(yàn)證。