核電站主設備翻轉抱環有限元分析

李　豪，白朝陽，趙　哲，趙麗杰，魏　興，商　偉

（1.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧 大連 116025；2.巨力索具股份有限公司，河北 保定 071000）

0　引言

壓力容器（RPV）、穩壓器（PZR）、蒸汽發生器（SG）等核電站主設備均是一級安全設備，主設備的安裝是核電站建設的關鍵里程碑。主設備上還含有管嘴、管座、密封面等易損部件和結構，主設備的安裝首先要保證其安全，因此，主設備安裝的專用工具關系著主設備的安全和核電站建設的進度。主設備的翻轉豎立是安裝過程中的重要一環，翻轉抱環的設計計算起著至關重要的作用。某核電站采用我國擁有完全自主知識產權的三代核電技術“華龍一號”，根據施工方案，安裝過程中擬采用翻轉抱環等工具對主設備進行翻轉豎立。翻轉豎立過程中，翻轉抱環的強度、剛度能否滿足要求關系著主設備的安全。本文利用有限元分析軟件，根據實際工況對翻轉抱環進行強度和剛度分析，為主設備的翻轉豎立提供可靠的依據。

1　主設備吊裝翻轉方案

主設備壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器均為圓筒形結構，基本參數見表1.

表1　主設備基本參數

主設備翻轉和吊裝過程中用到的輔助工具有：環吊連接工具、提升索具、翻轉抱環、翻轉支架等。作業過程如下：環吊連接工具上部與起重設備連接，下部與主設備本體連接。主設備翻轉抱環的耳軸坐落在翻轉支架的U型支座內，為翻轉操作提供翻轉軸線，通過起重設備的移動和起升作業將主設備從臥式狀態翻轉至豎直狀態，然后將其吊運至安裝位置。壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器翻轉作業分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　壓力容器翻轉豎立示意圖

圖2　穩壓器翻轉豎立示意圖

圖3　蒸汽發生器翻轉豎立示意圖

2　翻轉抱環載荷計算

2.1　翻轉抱環簡介

壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器主設備的翻轉抱環都相似，現以蒸汽發生器翻轉抱環為例進行說明。如圖4所示，翻轉抱環由兩個半抱環體通過螺栓裝配而成，半抱環體由鋼板焊接而成，螺栓為自制高強螺栓。在主設備翻轉過程中，主設備的自重載荷被起重設備和抱環與本體產生的摩擦力來承擔。在翻轉抱環與主設備本體之間設置有橡膠墊，既能增大翻轉抱環與主設備本體的摩擦力，又能起到保護主設備的作用。

圖4　翻轉抱環連接示意圖

2.2　載荷計算

翻轉抱環與主設備的摩擦力由連接螺栓的預拉力產生，摩擦力的大小取決于螺栓預拉力的大小[1]。有限元計算時，翻轉抱環承受的載荷包括兩部分：由螺栓預拉力產生的抱環內圓柱面壓強和摩擦力。

抱環內圓柱面壓強可通過下式計算：

P=2nF/A

式中：P為翻轉抱環內圓柱面壓強；n為單側螺栓數量；F為單個螺栓預拉力；A為翻轉抱環與主設備的接觸面積，等于抱環內徑與高度的乘積。

抱環產生的摩擦力可通過下式計算：

Fμ＝ μPπA

式中：μ為摩擦系數。

3　有限元計算與結果分析

3.1　工況說明

壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器等主設備在翻轉過程中，都是有上部環吊連接工具和翻轉抱環同時受力。在主設備豎直姿態時理論上也是上下同時受力，但在主設備翻轉到鉛垂位置的瞬間，有向前擺動的現象，此時靠觀測很難判斷垂直狀態，存在著不安全因素，有可能出現瞬間主設備自重全由翻轉抱環承受的情況。因此，計算翻轉抱環的極限工況即可，即主設備在豎直姿態時，主設備自重全由翻轉抱環內圓柱面的摩擦力承受。

3.2　有限元模型說明

安裝主設備翻轉方案，用ANSYS軟件對翻轉抱環進行有限元建模。建模時遵循以下原則：

（1）翻轉抱環主要由鋼板和圓鋼組成，采用板單元shell63和實體單元solid45建模。

（2）各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置來確定；

（3）焊縫按結構連接處理，忽略小的倒角。

主設備翻轉抱環計算以蒸汽發生器為例進行計算說明，有限元模型如圖5所示。

圖5　蒸汽發生器翻轉抱環有限元模型

3.3　邊界條件設置

邊界條件的設置包括約束和載荷施加兩部分。

約束：由于翻轉抱環的耳軸坐落在翻轉支架的U型支座內，所以在兩個耳軸上施加位移約束。

載荷施加包括翻轉抱環內圓柱面的面載荷和蒸汽發生器自重載荷兩部分。

面載荷為：

蒸汽發生器自重載荷為：

式中：m為蒸汽發生器質量（包括其相關附屬裝置），m=510 t；

抱環產生的摩擦力為：

可知，抱環產生的摩擦力遠大于蒸汽發生器自重載荷，所以按照上述載荷施加是安全、可行的。

在模型中，面載荷施加在翻轉抱環內圓柱面上，蒸汽發生器自重載荷施加在內圓柱面相應的節點上。

3.4　計算結果

按照以上有限元模型及邊界條件對蒸汽發生器翻轉抱環進行有限元分析計算，應力、位移云圖如圖6、圖7所示。

圖6　蒸汽發生器翻轉抱環應力云圖

圖7　蒸汽發生器翻轉抱環位移云圖

從上述圖表中的數據可以看出：

（1）翻轉抱環最大應力為230.13 MPa，小于翻轉抱環材料（Q345B）的許用應力[2，3]，故翻轉抱環強度滿足要求；

（2）翻轉抱環最大位移18.44 mm，為彈性位移，故翻轉抱環變形均滿足要求。

綜上，根據有限元計算分析結果，翻轉抱環滿足主設備的安裝要求。

4　結束語

本文從核電站主設備的吊裝方案出發，提出了翻轉抱環計算方法，并采用有限元法建立計算模型，通過對不同工況的模擬計算，得出翻轉抱環的應力、位移、穩定性系數等結果。結果顯示，翻轉抱環能滿足主設備翻轉豎立過程中的強度、剛度、穩定性要求，這為核電站主設備的安全安裝提供了計算依據。