核電站循環冷卻機組檢修門的數值分析

戴美軍， 車小蓮， 羅建平， 陳 杰， 劉廣平

(浙江金盾風機股份有限公司， 浙江紹興 312300)

安全殼循環冷卻機組用于非能動核電廠安全殼廠房內，為方便檢修人員對機組內部各部件進行檢查、維護和清潔，在機組箱體底板上設置檢修門。檢修門位于機組底座的負壓段，通常應設計成外開式，以確保機組運行時檢修門關閉時的密封性能；而底座下方設置的安裝鋼梁阻擋了檢修門的開啟，因而設計了一種新型負壓段的內開式檢修門。檢修門內部通過安裝空心O形圈和橡膠條進行密封，檢修門關閉后機組箱體最大設計壓力約為0.003 MPa，按照設計規范，要求在此壓力下機組總漏風量不超過規定限值，因此對檢修門密封性能進行分析十分必要。

近年來，使用Ansys Workbench軟件進行O形圈的密封性能研究主要集中于針對實心O形圈的非線性分析[1-6]，筆者在此基礎上建立了檢修門空心O形圈的二維簡化有限元模型，研究在空心O形圈不用預壓縮位移狀態下各接觸面的接觸壓力變化，并將分析結果與檢修門靜力學分析相結合，驗證檢修門在接觸壓力、介質壓力及地震組合載荷的作用下，是否引起結構失效。

1 模型建立

1.1 二維有限元模型

檢修門簡化模型組件主要有門板、底座、空心O形圈、橡膠條等，在檢修門底板處設置U形槽(高為10 mm、寬為20 mm)用以放置空心O形圈；橡膠條(寬為30 mm、厚度為8 mm)固定于門板上；空心O形圈(外徑為20 mm、內徑為8 mm)安裝時通過預壓縮產生反彈力，從而起到密封效果。空心O形圈的壓縮率δ為：

(1)

式中：φ1、φ2分別為空心O形圈的外徑和內徑，mm；h為底座槽高，mm。計算得出空心O形圈的壓縮率約為16.7%。根據相關資料分析：橡膠作為密封件時，其壓縮率應為10%～20%，此空心O形圈壓縮率滿足要求。

由于橡膠材料的高度非線性，且在受壓時伴有大位移、大轉動和大應變等特性，建立空心O形圈有限元模型時對其提出的假設為：(1)橡膠圈材料拉伸與壓縮的蠕變性質相同，且蠕變不引起體積變化；(2)橡膠圈材料具有確定的彈性模量和泊松比，泊松比取接近0.5的常數；(3)忽略溫度和時間對橡膠材料的影響；(4)檢修門門板組件和底板組件材料的剛度是橡膠圈的幾萬倍，在檢修門的非線性接觸分析中，將其視為O形密封圈變形時的約束邊界；(5)橡膠圈受到的預壓縮視為有約束邊界的定向位移，即門板的縱向位移。

在Workbench Geometry中建立檢修門密封部件的二維簡化軸對稱有限元分析模型(見圖1)。

圖1 檢修門二維軸對稱有限元分析模型圖

研究空心O形圈的密封性能時，其關鍵在于空心O形圈在外力作用下的整體變化，因而對此空心O形圈采用六面體結構單元，屬性設置為Soft。為保證計算結果的精確性，須對空心O形圈及橡膠條的網格進行細化處理；門板組件與底板組件為剛體組件，屬性設置為Hard，對其進行網格粗劃[7]。

1.2 三維有限元模型

在ProE軟件中建立檢修門的三維簡化建模時，考慮到空心O形圈及橡膠條屬于復雜的非線性超彈性材料，在密封時呈現大變形和大位移，為了節省計算時間并保證計算結果的精確性將其簡化，簡化后其模型見圖2。

圖2 檢修門三維簡化模型圖

1.3 材料性能

檢修門門板組件、底座組件均使用Q345材料，空心O形圈及橡膠條使用氯丁橡膠。Q345材料的力學性能見表1。

表1 Q345材料力學性能

氯丁橡膠材料采用Workbench材料庫Hyperelastic Materials中自帶的氯丁橡膠材料，并選用Mooney-Rivlin模型[8-10]作為該橡膠材料在大變形下的力學性能。Mooney-Rivlin模型的表達式為：

w=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(2)

式中：w為應變能密度函數；C1和C2為材料Mooney-Rivlin常數；I1和I2為應變張量的不變量。

2 性能分析

對檢修門空心O形圈和橡膠條進行密封， O形密封圈保證密封的必要條件為密封界面上的最大接觸壓力大于或等于介質壓力，檢修門的密封性能是否有效也就取決于壓縮狀態下空心O形圈與底板、空心O形圈與橡膠條以及橡膠條與門板組件接觸面間的最大等效接觸壓力是否大于介質壓力。

對檢修門進行密封性能分析時，首先進行空心O形圈的預壓縮分析，得到不同預壓縮位移所對應的三個主要接觸面上接觸壓力的變化情況；然后將空心O形圈與底板組件及橡膠條以門板組件間的最大接觸壓力施加在相應的接觸面上，得到檢修門各部件在密封接觸壓力和介質壓力同時作用下的等效應力及變形情況，進而驗證檢修門的密封性能。

2.1 空心O形圈預壓縮分析

2.1.1 條件設置

檢修門的密封接觸涉及空心O形圈與底板組件、橡膠條與底板組件以及空心O形圈與橡膠條之間的接觸，設置其接觸為Frictional；橡膠條與門板組件之間的接觸設置為Bonded。

在檢修門門板組件上施加Z軸負方向上的位移約束，以此代替空心O形圈的預壓縮。檢修門底座組件與機組箱體相連接，故對底座組件的連接面施加固定約束。

2.1.2 結果分析

當空心O形圈完全被壓縮時，其預壓縮位移為10 mm，此時檢修門內各接觸面的接觸壓力及空心O形圈的受壓變形結果見圖3～圖6。空心O形圈發生明顯變形，最大等效應力集中于O形圈的內環邊界處；O形圈與底座組件的U形槽內部面均有接觸，受到接觸壓力最小的接觸面在U形槽右側。

圖3 O形圈等效應力圖

圖4 O形圈與底板組件接觸壓力圖

圖5 O形圈與橡膠條接觸壓力圖

圖6 橡膠條與門板組件接觸壓力圖

設置不同的空心O形圈預壓縮位移，得到各接觸面對應的接觸壓力變化情況(見圖7)。

圖7 不同預壓縮位移對應的各接觸面的接觸壓力變化圖

2.2 介質壓力作用下的密封性分析

由于橡膠密封圈材料具有高度非線性[11]，即幾何非線性、材料非線性和接觸非線性，隨著空心O形圈的預壓縮，檢修門密封接觸面上的接觸壓力分布并不均勻。若以接觸界面的最大等效應力均勻施加到門板組件和底座組件上，此時如果檢修門接觸面上的接觸壓力大于介質壓力，則說明檢修門的密封性能是有效的；而且在分析中需要校核檢修門各零部件的強度是否滿足設計要求。

2.2.1 載荷施加與邊界條件

檢修門承受的載荷主要有自身重力、空心O形圈的接觸壓力以及介質壓力。在靜力學分析中，門板組件與底板組件之間存在的接觸設置為Frictionless；底板組件與把手之間的接觸設置為No Separation；鉸鏈與鉸鏈之間設置為轉動關節；其他零部件之間的接觸設置為Bond。

(1) 重力載荷。

重力方向豎直向下，加速度為1.0g(g為重力加速度)；另外，檢修門門板組件內部空隙填充玻璃棉，在分析時以質量點的形式施加于門板組件重心處。

(2) 接觸壓力。

由檢修門空心O形圈的預壓縮分析結果可知：當預壓縮位移為10 mm時，橡膠條與門板組件接觸處的最大接觸壓力為0.026 MPa，施加于橡膠條與門板組件的接觸面上；空心O形圈與底座組件有三個方向上的接觸，接觸壓力最大處位于底座U形槽的左側面，最大值為0.06 MPa，施加于空心O形圈與底座的接觸面上。

(3) 介質壓力。

MS14機組箱體負壓段的最大設計壓力為0.003 MPa，在分析時施加于檢修門門板組件上，方向為Z軸正方向。

(4) 邊界條件。

檢修門門板組件通過鉸鏈實現與底座組件的綁定以及檢修門的開啟和關閉，因而對鉸鏈設置旋轉約束，并對底座組件與機組的連接面施加固定約束。

2.2.2 計算結果

檢修門在預壓縮接觸壓力與介質壓力同時作用下，其分析結果見圖8～圖17和表2。從分析結果可以看出：檢修門出現變形及等效應力最大的部件在把手裝置上(位移為0.58 mm，最大等效應力為139.82 MPa(小于 207 MPa)，安全系數為2.47)；鉸鏈及搭扣裝置都受到載荷沖擊，最大等效應力均在70 MPa以下；門板組件的變形位移為0.62 mm。

圖8 門板組件等效應力圖

圖9 門板組件總變形位移圖

圖10 底座組件等效應力圖

圖11 底座組件總變形位移圖

圖12 把手等效應力圖

圖13 把手總變形位移圖

圖14 搭扣裝置等效應力圖

圖15 搭扣裝置總變形位移圖

圖16 鉸鏈等效應力圖

圖17 鉸鏈總變形位移圖

項目門板組件底板組件把手搭扣裝置鉸鏈最大等效應力/MPa29.9023.97139.8254.7266.61最大總位移/mm0.620.010.580.550.01安全系數11.5414.392.476.305.18許用應力/MPa207

根據空心O形圈不同預壓縮位移對應各接觸面的接觸壓力曲線，可以得出在此位移變形情況下，空心O形圈與橡膠條間的接觸壓力為0.023 MPa，橡膠條與門板組件間的接觸壓力約為0.024 MPa，空心O形圈與底座組件接觸面的最大接觸壓力約為0.052 MPa，均大于介質壓力。由以上分析可知：安全殼循環冷卻機組負壓段內檢修門的密封性能及各零部件的強度均能滿足設計要求。

3 抗震性能校核

按設計要求，在安全停堆地震(SSE)載荷工況下，檢修門各部件的最終應力應等于或小于1.6倍許用應力。在檢修門的靜力學分析中將接觸界面的最大等效應力均勻施加到門板組件和底座組件上，因此在分析中只要檢修門各零部件的最大等效應力滿足設計要求，檢修門的強度即符合要求。

3.1 載荷施加與邊界條件

在SSE載荷工況下，檢修門所承受的載荷主要來自于檢修門的自身重力、地震載荷、空心O形圈的接觸壓力以及介質壓力。檢修門受到的地震載荷可以以靜態載荷等效分析的方式施加于沿重心三個互相垂直的軸線方向上，安全殼循環冷卻機組布置在AP1000反應堆廠房(CIS)153′-0″混凝土樓面。樓層反應譜在三個正交方向的峰值加速度見表3。

表3 樓層反應譜的峰值加速度

考慮到不同的振動頻率應有有效響應，當量靜態載荷的大小為：

Fx=λ×ax×M

(3)

Fy=λ×ay×M

(4)

Fz=λ×az×M

(5)

(6)

式中：λ為靜態載荷系數，取1.5；Fx、Fy為水平方向靜態載荷；Fz為豎直方向靜態載荷；F為當量靜態載荷；M為檢修門質量。

在Ansys Workbench中設置檢修門的當量載荷作用時，將振動加速度以慣性力的形式施加于檢修門重心處，其方向以最不利于檢修門正常運行工況的條件進行設置。除地震載荷外，其他載荷的施加均與檢修門介質壓力作用下的載荷施加條件一致。

3.2 計算結果

在空心O形密封圈接觸壓力、當量靜態載荷及外界介質壓力等組合載荷的共同作用下，檢修門各部件靜力分析結果見圖18～圖27和表4。

圖18 門板組件等效應力圖

圖19 門板組件總變形位移圖

圖20 底座組件等效應力圖

圖21 底座組件總變形位移圖

圖22 把手等效應力圖

圖23 把手總變形位移圖

圖24 搭扣裝置等效應力圖

圖25 搭扣裝置總變形位移圖

圖26 鉸鏈等效應力圖

圖27 鉸鏈總變形位移圖

項目門板組件底板組件把手搭扣裝置鉸鏈最大等效應力/MPa49.5033.44251.1978.41160.00最大總位移/mm0.710.011.020.700.061.6倍許用應力/MPa331.2

從分析結果可以看出：檢修門各組件最大等效應力均小于材料的1.6倍許用應力，說明檢修門在機組SSE情況下能夠保證結構的完整性，滿足設計的要求。

4 結語

筆者通過分析安全殼循環冷卻機組在負壓段內安裝內開式的檢修門，運用ProE和Ansys/Workbench軟件對檢修門內的空心O形圈及整個模型進行數值分析研究，得出以下結論：

(1) 在預壓縮和介質壓力的同時作用下，空心O形圈與橡膠條間的接觸壓力、橡膠條與門板組件間的接觸壓力、空心O形圈與底座組件接觸面的最大接觸壓力均大于介質壓力，檢修門密封有效；檢修門等效應力最大的部件在把手裝置上，安全系數為2.47，滿足正常運行工況下的設計要求，檢修門不會發生永久變形而影響密封性能。

(2) 在檢修門的抗震強度校核中，檢修門把手裝置所受等效應力最大，小于設計允許的1.6倍許用應力，最大變形位移處于檢修門允許的彈性變形范圍內，能夠保證該檢修門在SSE載荷工況下結構的完整性。