秦山一期核電廠蒸汽發生器傳熱管堵頭應力松弛分析

張凱

【摘 要】本文件是利用ANSYS軟件的非線性接觸分析來模擬秦山核電站蒸汽發生器傳熱管堵頭與傳熱管的滾脹過程以及經歷的各種水壓試驗和熱疲勞試驗工況。對堵頭模型利用接觸分析計算出的堵頭與管壁之間接觸并發生塑性變形之后沿長度方向的平均接觸應力和最大接觸應力以及經歷各種試驗工況后的應力松弛情況，然后與臨界接觸應力進行比較，判斷堵頭是否會有泄漏的危險。

【關鍵詞】蒸汽發生器；滾脹式堵頭；應力松弛；臨界接觸應力

中圖法分類號：TL351 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.013

【Abstract】this file is a nonlinear contact analysis using ANSYS software to simulate the qinshan nuclear power plant steam generator the pipe plug with the pipe roll expansion process and experience of all kinds of working condition of water pressure test and thermal fatigue test. The plug model using the contact analysis to calculate the contact between the plug and tube wall and after plastic deformation along the length direction of the average contact stress and the maximum contact stress as well as the stress relaxation of the after all kinds of test conditions， and then compared with the critical contact stress， will judge whether the plug is in danger of leakage.

【Key words】Steam generator； Rolling plug； Stress relaxation； Critical contact stress

0 引言

核電站蒸汽發生器（以下簡稱SG）的國內外運行經驗表明，在壓水堆核電站正常運行過程中，傳熱管的破損在核電廠的運行壽期內是不可能完全杜絕的。因此，在定期對傳熱管的完整性進行檢查的基礎上，有必要對已破損的傳熱管進行快速而可靠的堵管操作，以保證SG安全、可靠地運行。目前，國際上采用最多的堵管手段是在SG管板安裝機械可拆卸式堵頭，將管子兩端密封住，使破損的管子不再發揮作用，從而不影響SG的完整性和安全可靠性。這就有必要對堵頭脹管之后經歷水壓試驗和熱疲勞試驗后的剩余接觸應力的大小和分布進行分析計算，以判斷堵頭是否能夠滿足密封要求。

1 分析對象

本文的分析對象是秦山核電公司從德國ABB公司購買的機械可拆卸式堵頭，為滾脹式膨脹堵頭，材料為Inconel800。這種堵頭上端采用插入錐體式設計，下端采用頭套管原理設計，堵頭具體結構如圖1所示。

檢修人員利用從德國ABB公司引進的手動堵管系統，通過滾脹工具軸向的進給和徑向的旋轉，使該機械可拆卸式堵頭擴張變形，緊緊壓在傳熱管內壁上，起到密封和承壓的作用。

2 堵頭的有限元分析模型

本分析采用的軟件是ANSYS 6.0版有限元分析程序，由于堵頭本身結構是旋轉對稱的，所以取其二維平面模型進行分析，采用二維平面單元PLAN 42對模型進行單元劃分。由于此分析還涉及單元之間的接觸，因此我們采用ANSYS 6.0單元庫中接觸分析專用的目標單元TARGE169 、接觸單元CONTA171，在管子與管板之間、堵頭與管子之間生成接觸對。

秦山核電站SG傳熱管滾脹式堵頭按照其尺寸建模并劃分單元后如圖2所示。

在參與試驗的幾個試驗件中，選取了14號、28號、41號三個不同尺寸的堵頭分別建立有限元分析模型。建立有限元模型時，根據分析經驗和工程實際采用了以下的假設和簡化處理：

（1）管子和堵頭按工藝是用滾子滾脹的，但如果按滾脹實際過程進行分析，接觸過程過于復雜，為了分析的可行，采取了類似液壓均勻脹管將位移載荷直接加在堵頭內壁進行脹接模擬。

（2）管子與管板之間的焊接處本分析用該處兩個節點的位移耦合來模擬，實際上是對焊接處進行了簡化處理。

（3）熱疲勞循環試驗加壓循環次數為3000次，但實際在12.5MPa和17.2 MPa兩個壓力循環加載了3次之后就發現計算出的接觸應力趨于不再變化，因此實際計算時壓力加載循環次數取3次即可。

3 對堵頭模型施加的載荷

3.1 管板脹管過程位移載荷

接觸分析是根據真實的脹管過程進行模擬的，先將管子脹接在管孔內壁，這一步是通過在管子內壁加位移載荷實現，用接觸單元計算出接觸應力。然后將管子內壁位移載荷撤去，使其回彈，由于管板大部分處于彈性，而管壁大部分進入塑性，因此不能完全恢復形變，這樣管孔因彈性變形回彈后就和由于產生塑性變形而無法完全回彈的管子外壁緊緊地接觸在一起。

3.2 脹接堵頭的位移載荷

堵頭是在脹完管子之后脹接的，堵頭的脹接也是用位移載荷加載模擬的，位移載荷步每次位移不能太大，特別是從不接觸狀態進入接觸狀態和由彈性狀態進入塑性狀態時，否則計算不容易收斂。最后將堵頭內壁位移載荷撤去，計算出這時堵頭與管子內壁之間的剩余接觸應力。

3.3 水壓試驗和熱疲勞循環的壓力載荷

堵頭試驗件的實際水壓試驗是在室溫下從試驗體的二次側打水壓，14#、28#、41#號三個堵頭的水壓試驗壓力分別為35.2 MPa/30min、35.4MPa/30min、34.8MPa/30min，打水壓后三個堵頭均無泄漏。

堵頭的實際熱疲勞試驗的水壓試驗溫度為320～338℃，壓力循環范圍為12.5MPa-17.2 MPa，循環周期為4秒，循環次數取3次（實際試驗是3000次，由于接觸應力加載3次以后趨于穩定，所以計算已經做了簡化），三個堵頭熱疲勞試驗之后再經過22 MPa/30min水壓試驗結果顯示均無泄漏。

在堵頭分析模型加載時是采取在二次側加水壓試驗壓力的壓力載荷和循環壓力載荷，得出3次加、卸載之后堵頭與管子內壁之間的平均接觸應力和最大接觸應力。同時將水壓打到32Mpa時泄漏的14號堵頭的平均接觸應力和最大接觸應力計算出來，確定堵頭的臨界接觸應力，作為密封可靠性的評定標準。

4 接觸應力計算結果

4.1 堵頭脹管之后的接觸應力

圖3是14#堵頭管子和堵頭滾脹好以后，堵頭外壁與管內壁之間堵頭接觸應力沿脹管長度上的分布。.

從圖3可以直觀地看到接觸應力在堵頭18mm的脹管長度范圍內的接觸應力分布還是比較均勻的。圖上端部兩個應力峰值的產生是由于滾子的兩個端部的應力集中造成的，我們關心的是脹管長度內的平均接觸應力和最大接觸應力的大小，計算得出堵頭沿脹管長度內的平均接觸應力為91.53Mpa，最大接觸應力為666.56Mpa。

4.2 14# 堵頭經歷水壓實驗、壓力循環波動后的接觸應力

圖4為14#堵頭經歷各種試驗載荷循環后，堵頭沿脹管長度上的平均接觸應力隨加載、卸載的時間變化歷程，我們可以明顯看出第5秒以后接觸應力值就趨于穩定不再變化，所以我們將熱疲勞的循環壓力載荷的加、卸載由3000次簡化為3次是合理的，3次壓力載荷循環以后堵頭沿脹管長度內的平均接觸應力為78.64Mpa、最大接觸應力為611.38Mpa。

5 計算結果分析評定

判斷三個堵頭經過各種循環之后是否泄漏，主要是比較三個堵頭的平均接觸應力和最大接觸應力是否大于產生泄露時的臨界接觸應力，如果大于臨界接觸應力就不會泄露，反之則會產生泄露。

經過功能驗證試驗后，14#堵頭在經歷了載荷循環之后進行水壓試驗，壓力在18Mpa（這個壓力接近秦山電站的設計壓力17.2Mpa）時未泄漏，繼續升壓至32Mpa時發生泄漏。根據計算得出14#堵頭在32Mpa的水壓試驗壓力下，泄露臨界狀態時接觸面的平均接觸應力和最大接觸應力分別為51.83Mpa和390.98Mpa。

實際上，秦山核電站的實際設計壓力為17.2Mpa，運行壓力為15.5Mpa，設計和運行壓力下的臨界接觸應力壓遠遠小于32Mpa試驗壓力下的臨界接觸應力。而我們評定是否泄漏用的是32Mpa下的臨界接觸應力，這樣做會使計算評定更偏于保守。所以，盡管28#堵頭在熱疲勞試驗之后在二次側打32Mpa水壓時的接觸應力（47.1Mpa）小于臨界接觸應力，但28#堵頭在設計和運行壓力下泄漏的可能性并不大。

但在實際實驗中28號堵頭在循環壓力載荷達到17.2Mpa時（這個壓力很接近設計壓力），上端的接觸面有脫開的現象，這對于堵頭的密封來說是很不利的。因為只要接觸面有一點脫開，介質就會滲透進來，這部分密封面就會承受很大的工作壓力，而這個垂直于接觸面的壓力又促使接觸面更多的脫開。

所以，盡管28號堵頭在設計壓力下的平均接觸應力大于設計壓力下臨界接觸應力，但在設計壓力下上端的接觸面的脫開使它成為有泄漏風險的堵頭，將來SG堵管過程中盡量不使用和28#堵頭相同外形尺寸和脹管參數的堵頭。

6 結論

從以上的分析和評定結果可以得出以下幾點結論：

（1）堵頭脹后的接觸應力在帶有凸環的兩邊緣有兩個較大的峰值，二者之間接觸應力較為均勻。而且三個堵頭的接觸應力下對應的靜摩擦力都大于拉脫力，所以堵頭不會脫落，此滾漲式堵頭的結構設計是合理的。

（2）水壓試驗對堵頭脹后接觸應力有影響，特別是壓力較大的水壓實驗，但是這種影響只限于頭幾次，即使經過熱疲勞循環試驗中的壓力循環波動后也不發生顯著的下降，所以堵頭在實際工作溫度和工作壓力循環下的密封性能是可靠的。

【參考文獻】

[1]李裕春，時黨勇，趙遠.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用，北京：中國水利水電出版社，2006.