輻照考驗回路穩壓器抗震性能有限元分析

江麗娟，戴鈺冰，吳紅偉

（中國核動力研究設計院一所，四川成都 610213）

0 引言

輻照考驗回路中的穩壓器是關鍵設備之一，用于調節與維持回路主系統壓力，屬于抗震I級設備。在回路冷啟動時，根據系統升溫升壓的要求，將系統壓力提升到額定工作壓力；在回路運行過程中，系統壓力出現波動時，則依靠穩壓器的汽水空間調整來維持回路系統正常的工作壓力；在事故工況下，通過開啟安全閥將多余的蒸汽排出，防止系統和設備超壓而被破壞。

根據核電廠抗震設計規范[1]，對于抗震I類物項，應同時滿足運行安全地震振動（Operating-Basis Earthquake，OBE）和安全停堆地震振動（Safty Shutdown Earthquake，SSE）的設計要求。采用有限元方法，利用ANSYS15.0軟件，建立了穩壓器的三維有限元模型，對其進行了在重力、內壓和地震等載荷作用下的應力分析，并結合RCC-M（法國《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》的簡稱）規范[2]進行了強度評定。

1 穩壓器有限元模型

1.1 有限元模型

輻照考驗回路中的穩壓器是一個直立圓筒形的耐高溫高壓容器，由筒體、上下封頭和頂蓋組成。在頂部設有噴淋頭組件，中部有波動管組件，底部設有電加熱元件，內部有電加熱元件導向格架板與保護內壁的內筒。筒體內徑為150 mm，壁厚35 mm，采用三維實體單元Solid185對穩壓器進行有限元建模。為了快速評價穩壓器的應力強度，在有限元建模的過程中，略去了噴淋頭組件和電加熱元件等，簡化后的穩壓器三維有限元模型如圖1所示。有限元模型的邊界條件，通過在穩壓器裙座底部施加零位移約束來實現。

1.2 載荷與工況

除了其自身的重量，穩壓器承受的載荷還有設計壓力和操作壓力2種內壓，OBE和SSE 2種地震載荷，以及進行水壓試驗時的試驗壓力。其中自重載荷通過在豎直方向施加重力加速度g=9.81 m/s2實現。

根據RCC-M規范，對穩壓器進行應力評定的工況包括設計工況、正常工況、緊急工況和試驗工況4種。其中，設計工況對應的載荷為設計壓力、自重和OBE地震載荷，正常工況包含的載荷為1.1倍操作壓力、自重、和OBE地震載荷，緊急工況的載荷則為設計壓力、自重和SSE地震載荷，試驗工況的載荷為水壓試驗壓力和無地震載荷。

圖1 穩壓器有限元模型

2 計算結果

2.1 模態分析

對穩壓器進行應力分析之前，先進行模態分析計算其固有頻率和振形。表1給出了穩壓器前12階固有振動頻率以及X，Y和Z的 3個方向相應的模態參與系數和參與質量。根據計算給出的模態參與系數，可知X方向的主振頻率為333.805 Hz，Y方向（垂直方向）的主頻率為334.427 Hz，Z方向的主頻率為596.845 Hz，均＞33 Hz。依據《核電廠抗震設計規范》，可將其視為剛體，從而可以采用靜力法對穩壓器進行抗震計算分析。

2.2 應力分析

采用ANSYS15.0軟件對穩壓器在各種載荷作用下進行應力分析。對于OBE和SSE載荷，由于穩壓器的基準頻率均＞33 Hz，因此依據《核電廠抗震設計規范》可將其視為剛體并采用靜力法對其進行分析計算。穩壓器在各種載荷作用下的最大應力強度和最大形變如表2所示。計算結果表明，穩壓器在試驗壓力作用下產生的應力強度和形變最大，分別為449 MPa和0.964 mm，其次為設計壓力和操作壓力作用下產生的應力強度。

表1 穩壓器的動態特性

表2 穩壓器在各種載荷作用下的最大應力強度和形變

2.3 強度評定

在應力分析的基礎上，根據各工況所包含的載荷組合，疊加計算穩壓器在各工況下的應力強度。計算結果表明，在設計工況下穩壓器的最大應力強度為357 MPa，正常工況下的最大應力強度為354 MPa，緊急工況對應的最大應力強度為357 MPa，試驗工況下的最大應力強度為449 MPa。

按照RCC-M規范，每一種工況都應滿足該工況下的最低準則級別，穩壓器在4種工況對應的準則級別及應力限值如表3所示。其中S是許用應力值，取相應工況下最高溫度時的值，σm和σL分別為總體薄膜應力和局部薄膜應力，σb為彎曲應力，Sy取自試驗溫度下的屈服強度值。穩壓器的上下封頭、筒體和頂蓋使用的材料為Z8CNT18-11鍛件，依據RCC-M 附錄Z表Z11.5，在50℃和100℃下的基本許用應力值均為138 MPa，許用屈服強度Sy=207 MPa。

從表3可知，參與評定的應力類型應為薄膜應力以及薄膜應力與彎曲應力之和，而非應力強度。薄膜應力和彎曲應力可通過應力線性化得到。基于穩壓器在各工況下應力強度分布的計算結果，選取應力強度較大的區域，指定應力線性化路徑，得到該路徑上的薄膜應力和彎曲應力。然后按照表3中的評價準則對穩壓器進行強度評定。

表3 不同準則級別的應力限值

穩壓器在4種工況下各零部件的薄膜應力σm（或局部薄膜應力σL）與薄膜應力和彎曲應力之和的最大值見表4。表中的非線性區域是指穩壓器的幾何上不連續區域，如包含有接管的封頭。對于不連續的非線性區域，采用的應力類型不同于連續區域。對于連續區域，在所指定的路徑上應力線性化后得到的薄膜應力σm以及薄膜應力與彎曲應力之和（σm+σb）都要進行評定，而非連續區域僅需評定后者。從表4可以發現，對于設計工況，穩壓器各零部件的安全裕度均在80%～90%；正常工況下的安全裕度略高于設計工況，均在90%以上。而對于載荷情況更為嚴苛的緊急工況和試驗工況，安全裕度最低在50%左右，其中上封頭的安全裕度略高于筒體和下封頭部位。

3 結論

采用有限元方法，利用ANSYS15.0軟件對穩壓器進行了抗震性能分析及應力評定。基于穩壓器在自重、設計壓力、操作壓力和地震載荷等作用下的應力分析，得到穩壓器在設計工況、正常工況、緊急工況和試驗工況下的應力強度分布。結果表明，穩壓器在試驗工況下的應力強度最大，正常工況下的應力強度最小。進一步按照RCC-M規范進行應力分類，即沿著指定路徑線性化應力，得到所需要的薄膜應力σm和彎曲應力σb。與RCCM規范中的應力限值比較可知，對于包含有地震載荷的設計工況、正常工況和緊急工況，穩壓器有足夠的安全裕度；對于試驗工況，穩壓器也具有足夠的安全裕度。總體來說，試驗用穩壓器有足夠的安全裕度保障，符合RCC-M和抗震設計規范要求。

表4 各工況下各零部件最大σm及σm+σb