APA軟件在核級管系力學分析中的應用

陳敏,張周紅,吳高峰,湯鳳

(中廣核工程設計有限公司,廣東深圳 518045)

1 問題的提出

在核電工程中,管道系統被大量使用,研究它的力學行為具有重要的意義[1-2]。管道力學分析單元可劃分為簡單管道系統和復雜管道系統,對于復雜管道系統,一般由主管線和多個支管線組成,因而管道的空間走向和受載情況十分復雜,致使管道力學分析十分復雜[3]。管道力學分析是證明管道系統在承受與每類工況相關的載荷時不發生某種形式失效的主要途徑之一[4]。核級管道應力分析的常用方法有2種:簡化計算分析和數值模擬計算分析。簡化計算方法是根據工程經驗公式進行計算和評定的一種簡單的管道設計方法,不能準確地描述管道力學行為,只適用于小管道設計計算。對于大管道而言,需要采用計算機程序進行詳細的數值模擬計算,尤其是復雜的大管道系統,它的力學特性復雜,安全性能要求高,必須采用數值模擬方法進行力學分析。

目前,民用核級管道應力分析的計算機軟件主要有[5-8]ADLPIPE,AUTOPIPE,SYSPIPE,PIPESTRESS,KWUROHR,HROHR2和APA(AREVAPIPINGADDON)等。APA是由法國AREVA公司最近開發的管道計算插件,它充分利用了ANSYSWorkbench強大的建模功能和計算功能。同時,結合各種核電設計規劃和標準,開發了管道力學性能評定模塊,有很強的可視化后處理功能。目前,國際上已經開始把APA軟件運用到核電工程的管道系統設計中,如AREVA公司的中國臺山核電項目,其中的1級、2級、3級管道都用此軟件計算。本文以某核電廠一個核2級管道系統模型為算例,介紹了APA在核級管道系統力學分析中的應用,選用RCC-M[4]設計規范對所計算的模型進行了力學性能評定。

2 APA軟件概述

APA軟件是針對管道系統(包括直管、彎管或彎頭、三通、梁等結構)力學計算和分析的專業軟件,主要用于核級管道系統的設計計算和校核分析。APA以ANSYS軟件為平臺,工作過程包括建模、計算和后處理。它有一個特殊的后處理模塊,包括了核級管道設計標準和規范:RCC-M、ASME(AmericanSocietyofMechanicalEngineers)、KTA(KerntechnischerAussschuss)和EN-13480(EuropeanNorm 13480)。APA軟件結合不同的規范或標準,其設計計算過程是PDMS建模、APA-DesignModeler模型轉換、ANSYS-Workbench-Simulation網格劃分、ANSYS求解、APA后處理模塊評定管道和生成計算報告。

用APA軟件計算時,管系的幾何模型來源于PDMS軟件中的3D模型,由PDMS將幾何模型的信息輸出生成一個文本文件,然后,APA軟件讀入此文件即可創建管道系統的幾何模型。在這一過程中,只需要點擊幾個按鈕便可完成幾何模型的建立。因此,采用APA軟件計算時,比SYSPIPE軟件建模方便很多。通過一系列的節點和單元進行網格劃分。主要單元類型有PIPE16單元,用于直管、大小頭、閥門和三通;PIPE18單元,用于彎頭或彎管;COMBIN14單元,用于剛性和阻尼;MASS21單元,用于集中質量。程序提供各設計規范中的標準材料數據庫,同時,用戶還可以自定義材料數據庫。

APA軟件使用ANSYS求解器,可以計算靜載和動載作用下的結構響應。主要考慮的靜載荷有:重力和其他持久機械力、溫度載荷、錨固點位移載荷、內壓載荷。對于動載荷,管道計算基于譜分析方法,首先是模態計算,然后是譜分析(單點譜分析和多點譜分析)。譜分析時,先求得各階模態下各個自由度方向的最大響應,位移、速度、加速度激勵的響應按不同的公式計算。由于每階模態的最大響應不會同時出現,用模態組合方法求得結構各個自由度方向的最大響應,由結構的響應再求出單元應力。組合方法有CQC(CompleteQuadraticCombination Method),GRP(GroupingMethod),DSUM(Double SumMethod),SRSS(SRSSMethod),NRLSUM(NR L-SUMMethod)。

3 核級管道應力分析

管道系統的應力分析目的在于證明管系在承受與各類工況相關的載荷時,均不發生某種形式的失效,就是使每類工況下管道的最大應力不超過設計規范要求的限值。運用APA軟件進行核級管道應力分析的過程主要有6個方面。

(1)建立幾何模型和有限元模型,幾何模型可以從PDMS三維模型直接導入,在APA軟件的DesignModeler模塊中生產模型,用Simulation模塊進行網格劃分。

(2)施加邊界條件,即加入管道支架和錨固點約束。

(3)按設計要求分別施加與每類工況相關的載荷,管道系統承受的載荷大致可分為4類[9]。

1)壓力載荷。可能在幾種不同壓力、溫度組合條件下運行的管道,應根據最不利的壓力溫度組合來確定管道的計算壓力。

2)持續外載。包括管道自身載荷(管子及其附件的重量、管內介質重量、管外保溫的重量等)、支吊架的反力以及其他集中和均布的持續外載。

3)熱脹和端點位移。管道由安裝狀態過渡到運行狀態,由于管內介質的溫度變化,管道產生熱脹冷縮使之變形;與設備相連接的管道,由于設備的溫度變化而出現端點位移,也使管道變形。

4)偶然性載荷。它包括風雪載荷、地震載荷、流體沖擊以及安全閥動作而產生的沖擊載荷。

(4)分別對每個載荷作用進行求解計算并得到結果,在動力分析前,需進行模態分析。

(5)計算結果組合并履行應力評定,將每類工況所考慮的載荷計算結果進行組合計算,按照設計規范的相關公式校核應力。

(6)輸出支架反力、閥門加速度以及特殊點的位移,按設計規范要求評定。

4 核級管道應力分析

4.1 管系模型

管系模型中的基本參數:管道系統為核二級管道,材料為不銹鋼X2CrNiMo17-12-2,管道公稱直徑150mm,管道壁厚10.97mm,絕熱層材料為礦物纖維AGI-Q132,密度為100kg/m3,管內流體為水,管道系統的3維模型如圖1所示。管系中閥門質量為78.9kg,計算溫度100℃,壓力為1.3MPa,抗地震等級為SC2。計算時要考慮的載荷有自重、內壓、熱膨脹和地震,載荷工況、組合及評定公式見表1。在該算例中,沒有計算C級工況,因為B級工況與C級工況載荷相同,當B級工況滿足規范要求時,C級工況自動滿足。計算的有限元模型如圖2所示,共劃分170個單元,節點數為171。泵入口的接管載荷限值見表2。

表1 管道載荷工況、組合及評定公式

表2 泵入口接管載荷限值

4.2 計算結果與分析

管系分析包括了靜力計算和動力計算,地震載荷的分析采用反應譜法。計算模型中包括直管單元、彎管單元、剛性單元、集中質量單元等。閥門的閥體用2個剛性單元和集中質量單元來描述,閥桿用梁單元和集中質量單元描述。分別計算了管道在自重、壓力、熱膨脹、檢測地震和設計基準地震載荷作用下的應力和支撐受力狀況,并按RCC-M規范組合工況,校核應力強度,計算結果見表3、表4、表5,應力分布云圖如圖3所示。

表3給出了每種工況下的管道最大應力值,由此可知,管道應力滿足設計規范要求。表4是各種工況下泵入口處的受力情況,與表2對比可知,泵管嘴受力滿足設計要求。表5為最壞工況下的每個支架受力狀態,這些支架載荷是支架選型的設計依據。從圖3中可直觀地看到管系中的應力分布,很容易找到危險點和把握在各種載荷作用下的管系變形,這是很多管道力學分析軟件不能做到的。

表3 最大應力及其比值

表4 泵入口管嘴受力

表5 支架受力最大值

圖3 應力分布云圖

5 結論

本文以某核電廠一個核二級管道系統為例,介紹了APA軟件在核級管道力學分析中的應用。可以看出,APA軟件充分利用了ANSYS強大的建模和求解功能,結合了主要的核電設計標準和規范,具有建模方便、計算能力強、后處理直觀的優點,尤其適用于復雜管道系統的力學分析,在核電工程中有較高的應用價值。

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