反應堆壓力容器頂蓋錐段設計研究

陶宏新，賀寅彪，唐偉華

（上海核工程研究設計院，上海 200233)

反應堆壓力容器頂蓋錐段設計研究

陶宏新，賀寅彪，唐偉華

（上海核工程研究設計院，上海 200233)

反應堆壓力容器頂蓋法蘭既是一回路承壓邊界，又是保證壓力容器密封的重要部件，因此結構需要平滑過渡，受力均勻，防止局部應力過高。通過有限元的分析及不同模型的比較顯示錐段結構對反應堆壓力容器頂蓋應力分布更加均勻；最大應力點避免和高拉應力區重復出現；有利于沖型等優點，提高三代核電一體化頂蓋的國產化技術水平。

壓力容器；頂蓋法蘭；錐段；應力分布

0 引言

反應堆壓力容器是核電站最重要的設備之一，與系統的其他部件一起構成一回路承壓邊界，同時也是防止放射性物質泄漏的主要安全屏障，為核安全一級部件。而頂蓋及法蘭是壓力容器的關鍵部位，既是一回路承壓邊界的重要組成部分，又是保證壓力容器密封的重要部件，因此頂蓋及法蘭結構的合理設計尤為重要。

三代核電壓力容器頂蓋升級為一體化整體鍛造結構之后，由于少了一道焊縫，在安全和性能上有很大提升。但還是出現例如密封回彈儲量不足；沖型時法蘭段金屬不能自由流變，導致缺陷產生等問題，于是就有了后續堆型錐段設計的出現，見圖1。

本文就目前壓力容器整體頂蓋設計中頂蓋法蘭過渡區域應力集中的問題進行了探討，通過不同堆型的比較闡述錐段對反應堆壓力容器頂蓋應力分布的影響。為第三代核電壓力容器一體化頂蓋國產化工作提供依據。

1 分析方法及計算模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立反應堆壓力容器頂蓋有限元模型，施加設計工況下的載荷包括設計溫度、設計壓力、主螺栓預緊載荷及自重等進行分析，計算變形和應力，并根據ASME B&PVC第III卷NB分卷[1]的相關規定對反應堆壓力容器頂蓋及法蘭按材料的應力強度限制進行評定。

根據反應堆壓力容器頂蓋及法蘭幾何尺寸和加載條件的對稱性，使用軸對稱單元（PLANE42）建立反應堆壓力容器頂蓋及法蘭模型見圖2。由于計算采用軸對稱模型，為獲得更為準確的計算結果，對結構中開孔區域進行材料參數等效計算。材料的彈性模量需要進行折算的頂蓋開孔區和螺栓開孔區，見圖3所示。

圖1 反應堆壓力容器頂蓋示意圖

圖2 反應堆壓力容器頂蓋及法蘭有限元模型

圖3 頂蓋開孔區示意圖

頂蓋開孔（控制棒驅動機構貫穿孔）區材料楊氏模量折算按文獻[2]進行。螺栓開孔區按體積進行彈性模量折算，即為螺栓開孔區開孔前后材料總體積之比值。

2 計算結果

2.1 應力分析結果

為了研究錐段的影響，分別建立同一堆型反應堆壓力容器頂蓋有錐段和無錐段2個模型進行計算，取出壓力容器頂蓋法蘭圓弧過渡段區域的應力分布圖進行比較，等效應力強度分布結果見圖4。

圖4 有/無錐段頂蓋法蘭圓弧過渡段應力分布

從應力分布云圖中可見：在加了錐段之后，頂蓋法蘭圓弧過渡區（圖中應力最大處）的數值明顯變小，整體應力分布更加均勻。另外，無錐段模型的應力集中點出現在頂蓋過渡段（高拉應力區）位置為295 MPa，而加了錐段之后最大應力點上移至錐段位置，避免了和高拉應力區重復出現，最大應力點也就197MPa，有效緩解應力集中。

2.2 變形分析結果

頂蓋最外圍控制棒驅動機構中心線位置的偏轉角度見表1，偏轉角度(α)示意圖見圖5。可見錐段設計的最外圍控制棒驅動機構中心線位置的偏轉角度比較小，結構安全性更好。

表1 最外圍驅動機構中心線位置的偏轉角度

圖5 驅動機構轉角示意圖

2.3 對工藝的影響

以AP1000為代表的三代核電壓力容器相比之前的反應堆壓力容器在設計和制造上更加嚴格，尤其是壓力容器頂蓋升級為一體化整體鍛造，頂蓋本體和法蘭部分不再由鍛件和板材拼焊而成，這樣的設計在制造上就少了一道焊縫，在安全和性能上有很大提升。但正是由于頂蓋為整體式鍛造并帶有大壁厚的法蘭，導致在整體鍛造成型中會遇見鍛造后流質不均等問題[5]。

已經有發生過因壓力容器頂蓋法蘭段厚度較大，在沖型時（沖型前后圖片見圖6）法蘭段金屬不能自由流變，補償近法蘭段金屬的變形，導致探傷時發現體積性的缺陷，使得壓力容器頂蓋報廢的事件[4]，這使得壓力容器一體化頂蓋成為整個壓力容器中形狀最復雜制造難點最大的部件之一，頂蓋法蘭過渡區域更是制造的難點，而錐段的設計解決了這一問題，錐段使得頂蓋法蘭過渡區域變寬，有利于沖型，見圖7。

圖6 不帶錐段沖型前后示意圖

圖7 帶錐段沖型前后示意圖

3 結語

通過有限元方法對反應堆壓力容器頂蓋在有無錐段結構下的變形和應力分析，得出結論如下：

①錐段結構使得頂蓋法蘭圓弧過渡區的應力分布更加均勻，同時最大應力點上移至錐段位置，避免了和高拉應力區重復出現。

②錐段設計的最外圍驅動機構中心線位置的偏轉角度遠遠小于其他堆型，結構安全性好。

③錐段設計使得一體化整體鍛造的頂蓋法蘭過渡區域變寬，沖型時法蘭段金屬利于自由流變，有利于沖型，減少缺陷的產生。

[1]ASME鍋爐及壓力容器規范，第Ⅲ卷，第1冊，NB-3200分析法設計，2010.

[2]T.Slot,W.J.O’Donnel.Effective Elastic Constants for Thick Perforated Plates With Square and Triangular Penetration Patterns,Journal of Engineering for Industry,1971：1081-1088.

[3]ASME鍋爐及壓力容器規范，第Ⅱ卷，材料，D篇，性能，2010

[4]白玉棟，毛昌森，劉軍，AP1000反應堆壓力容器整體頂蓋設計變更及問題處理[J].中國核能行業協會2010年中國核能可持續發展論壇論文集，132-137

[5]劉璐，吳洪.反應堆壓力容器整體頂蓋鍛件制造質量控制研究[J].熱加工工藝，2011，19.

Reactor Vessel;Closure Head Flange Region;Cone Part;Stress Distribution

Research on Cone Part Structure of Reactor Vessel Closure Head

TAO Hong-xin，HE Yin-biao，TANG Wei-hua
（Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute，Shanghai 200233）

Reactor vessel closure head flange region is the part of pressure boundary of the first loop,so it should be smoothness，stress uniformity and none local high stress.Research calculated the deformation and stress response of closure head flange region of different model under design conditions,shows the benefit of the cone part forging such as uniform stress distribution,avoids simultaneously with high tensile stress,good for stamps and so on.The results can be used for the third generation reactor vessel closure head.

1007-1423（2016）19-0003-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.19-.001

國家重大專項資助（No.2014ZX06002005）

陶宏新（1983-），男，江蘇蘇州人，碩士，工程師，研究方向為反應堆結構力學

賀寅彪（1962-），男，浙江寧波人，研高，本科，研究方向為反應堆結構力學

唐偉華（1985-），男，上海人，本科，工程師，研究方向為機械設計制造及自動化

2016-06-03

2016-07-02