基于Ansys的高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器翻轉(zhuǎn)工裝應(yīng)用研究

包鑫，鐘火軍

（1.中核能源科技有限公司，北京 100193；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510000）

高溫氣冷堆核電站示范工程是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的200MW級高溫氣冷堆核電站，是國家16個(gè)重大專項(xiàng)之一。高溫氣冷堆RPV吊裝是項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵施工作業(yè)之一。RPV外形結(jié)構(gòu)不同于以往核電，其筒體凈重594t，外徑6.376m，全長27.505m，重量和尺寸為目前核電項(xiàng)目中最大的壓力容器。

僅用吊車和吊具無法完成RPV從出廠至反應(yīng)堆艙室就位工作，還需要必要的工裝，使RPV由臥式水平翻轉(zhuǎn)至豎立狀態(tài)，在RPV吊裝過程中起著重要作用。結(jié)合RPV的外形結(jié)構(gòu)尺寸和重量等參數(shù)，翻轉(zhuǎn)工裝采用弧形翻轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)采用H型鋼進(jìn)行制造，總長13m。將RPV與翻轉(zhuǎn)工裝裝配一起并采用鋼絲繩固定為一體后進(jìn)行整體翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 裝有RPV的翻轉(zhuǎn)支架圖

翻轉(zhuǎn)工裝能否滿足使用需求，應(yīng)通過計(jì)算分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1 RPV翻轉(zhuǎn)工裝分析思路和參數(shù)選擇

1.1 力學(xué)分析思路

在RPV和工裝翻轉(zhuǎn)的過程中，以RPV水平0°及RPV完全豎直90°為兩個(gè)極限位置，并在RPV從水平到豎直的整個(gè)翻轉(zhuǎn)過程中，從0°～90°按18°等分為6個(gè)位置作為計(jì)算點(diǎn)，并對其進(jìn)行基于Ansys的有限元分析，估計(jì)判斷RPV最大應(yīng)力發(fā)生的位置及數(shù)值。

1.2 參數(shù)選擇

本文以軟件Ansys為工具，實(shí)現(xiàn)RPV有限元自動(dòng)分析，提高了分析工作效率。

RPV整體結(jié)構(gòu)的主體部分材質(zhì)為SA508，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q390A，因此本文采用SOLID45單元模擬RPV的結(jié)構(gòu)，取翻轉(zhuǎn)工裝材料和RPV本體的彈性模量E=2.12×1011N/m2，泊松比m=0.288，密度ρ=7860kg/m3。

2 有限元建模和網(wǎng)格劃分

2.1 有限元建模

采用在Ansys建模過程中經(jīng)常采用的自底向上（即點(diǎn)-線-面-體）的建模方式，由低級圖元逐層形成高級圖元的建模過程，并對模型做了基本簡化。

2.2 有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格

對RPV主體結(jié)構(gòu)采用Ansys的高級網(wǎng)格劃分技術(shù)——掃略網(wǎng)格劃分方法，對部分無法進(jìn)行掃略網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 RPV和翻轉(zhuǎn)工裝有限元網(wǎng)格模型

3 有限元分析

根據(jù)1.1節(jié)6個(gè)位置，應(yīng)用軟件Ansys對翻轉(zhuǎn)工裝進(jìn)行有限元分析計(jì)算，判斷其最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置和最大應(yīng)力值。在翻轉(zhuǎn)的過程中，RPV本體自身重力是工裝所承受的最主要載荷，起重機(jī)吊裝產(chǎn)生的牽引力用位移約束代替，對某一具體位置下翻轉(zhuǎn)工裝與地面相接處的面在垂直方向的位移進(jìn)行約束，避免其在垂直方向的運(yùn)動(dòng)。

3.1 初始位置（位置1，RPV水平放置）

當(dāng)RPV水平放置時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在RPV最前端支撐處，最大值為61.574MPa，變形量為2.737mm，如圖3所示。

圖3 RPV水平位置（位置1）等效應(yīng)力云圖

3.2 RPV和翻轉(zhuǎn)工裝從水平翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)

翻轉(zhuǎn)過程中從位置18°到位置90°，5個(gè)計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，判斷最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置及數(shù)值。RPV此時(shí)在大吊車提升作用下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，對工裝的壓力小于其本體重量，但為施工安全考慮，工裝所受RPV作用力取RPV本體重量，翻轉(zhuǎn)工裝18°位置等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)工裝等效應(yīng)力圖（18°位置）

經(jīng)過計(jì)算，6個(gè)位置的最大等效應(yīng)力及位置見表1。

表1 各位置應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)表

工裝最大應(yīng)力243.009MPa，小于Q390A許用應(yīng)力極限275MPa（屈服極限390MPa/安全系數(shù)1.42），滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A的要求，因而經(jīng)有限元分析該翻轉(zhuǎn)工裝可以滿足翻轉(zhuǎn)受力強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

基于經(jīng)典的大型有限元分析軟件Ansys對核電站RPV翻轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)工裝的受力狀況進(jìn)行了分析，選擇了RPV在翻轉(zhuǎn)過程中的幾種典型工況，對翻轉(zhuǎn)工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果表明，集中應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，RPV翻轉(zhuǎn)工裝的設(shè)計(jì)是合理的，采用此工裝進(jìn)行RPV翻轉(zhuǎn)吊裝是可行的。