海洋條件下兩種不同法蘭結構反應堆壓力容器的密封性能對比研究

張錐

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 前言

反應堆壓力容器（RPV）內部包括燃料組件、堆內構件及帶有高放射性的高溫高壓冷卻介質。從核安全和環境保護考慮，必須對RPV 進行密封性能分析，以確保它在設計壽命期內正常運行。

對于RPV 的密封結構設計、分析方法及實驗，國內外學者做了大量工作。廖家麒、賀寅彪研究了頂蓋法蘭的錐段、厚度及密封面傾角3 個因素對密封性能的影響；陳駿等分析了2 種不同密封面結構對密封性能的影響；熊光明、鄭連綱等建立了熱彈塑性三維有限元密封分析方法；李潤方、杜雪松等開發了密封分析專用程序；曲家棣、George 等進行了相關密封試驗。

目前，這些研究主要基于陸上大型壓水堆，甚少涉及海上小型壓水堆。為滿足海洋條件下小堆RPV 密封性能和海洋平臺空間限制的要求，設計了2 種不同法蘭結構和尺寸的RPV。本文采用三維有限元分析方法，并基于ANSYS 開展了RPV 密封性能對比研究，得到了RPV 上下法蘭內外環軸向分離量、主螺栓載荷等密封性能評價關鍵指標，用于評估不同法蘭結構設計對RPV 密封性能的影響，為海上小堆RPV 密封結構設計提供理論指導。

2 結構設計

RPV 密封結構主要由頂蓋法蘭、容器法蘭、主螺栓及密封面結構等部件組成。其密封是通過主螺栓的拉伸使上下密封面處產生足夠的壓緊力來壓緊雙道密封槽中的密封環來實現。不同結構設計會導致密封結構不同的剛度分布，從而產生不同的變形形態，對RPV 的密封性能產生重要影響。

依據相同的設計輸入和通用核容器設計規范，設計了兩種不同法蘭結構形式的RPV 密封方案，如圖1 和圖2 所示。除法蘭結構形式外，兩種方案的頂蓋厚度、筒體厚度、法蘭厚度、密封面結構均相同。在頂蓋法蘭密封面加工一個α 斜面，可在螺栓預緊力不變的情況下減少密封分離量，有利于密封。密封面結構設計如圖3 所示，其中α 值和斜面起始點位置通過結構優化設計得到。兩種密封設計方案主要參數如表1 所示，相比RPV 1，RPV 2 的螺栓中心圓直徑、法蘭外徑均較小，需要的螺栓數量和螺栓緊固力也較小。

表1 兩種設計方案參數對比

圖1 RPV 1 密封結構

圖2 RPV 2 密封結構

圖3 密封面結構設計

3 密封分析

3.1 分析模型

將上封頭開孔區通過折減彈性模量的方法等效為無孔區，忽略上封頭其他附件的影響；忽略進出口接管的影響；“C”形密封環用非線性彈簧單元進行模擬，可較好模擬密封環的壓縮回彈曲線。考慮到結構及載荷的對稱性，沿RPV 軸向取包括半根螺栓的對稱結構建立三維有限元分析模型，如圖4 和圖5 所示。

圖4 RPV 1 有限元模型

圖5 RPV 2 有限元模型

3.2 熱分析

本文采用基于ANSYS 的熱固間接耦合分析方法，即先進行熱分析，然后再進行結構分析。為便于對比分析，2 種分析模型采用相同的載荷及邊界條件。

在冷卻劑與堆焊層內壁面的接觸區域設置對流換熱系數，施加啟堆、正常運行和停堆瞬態下的升降溫溫度載荷。為便于分析，3 種瞬態合并成一條瞬態曲線進行計算，并保證正常運行的時間足夠長。模型外壁面保守做絕熱處理；考慮螺栓墊片與螺栓及頂蓋法蘭之間、上下法蘭密封面之間的接觸傳熱；在頂蓋法蘭螺栓孔與螺栓之間設置空氣單元，考慮空氣對傳熱的影響。

由計算結果可以看到，主螺栓在整個瞬態過程中相對頂蓋法蘭和容器法蘭存在明顯的溫度滯后，兩種方案各部件的溫度對比情況如圖6 和圖7 所示，主螺栓的溫度滯后對比情況如圖8 所示。

圖6 RPV 1 溫度對比情況

圖7 RPV 2 溫度對比情況

圖8 2 種RPV 主螺栓溫度滯后情況對比

3.3 結構分析

結構分析與熱分析采用相同的有限元網格，但不考慮空氣單元。結構分析時，將熱單元轉換為結構單元。熱分析得到的瞬態溫度載荷，以體載荷的形式施加在結構單元上。同時考慮瞬態壓力載荷、螺栓預緊載荷、海洋載荷及其他機械載荷，其中海洋載荷由主系統分析得到，并作用于RPV 上。

在ANSYS 中采用PRETS179 單元模擬主螺栓的預緊及在整個升降溫瞬態過程中的螺栓載荷。

在螺栓墊片與螺栓及頂蓋法蘭之間、上下法蘭密封面之間設置接觸，允許接觸面間的相對滑移，并考慮摩擦對接觸的影響。在RPV 頂蓋左側端部施加水平方向位移約束，在周向的兩個外側面施加對稱約束，在模型的底部施加豎直方向位移約束。

由計算結果得到，2 種方案內外環軸向分離量時程數據對比、主螺栓載荷時程數據對比分別如圖9 和圖10所示。并提取了最大內外環軸向分離量、主螺栓最大應力及最大平均應力，如表2 所示。

表2 計算結果及對比

圖9 2 種RPV 內外環軸向分離量對比

圖10 2 種RPV 主螺栓載荷對比

4 結語

基于相同的總體參數及方法，設計了2 種不同結構和尺寸的海上小型壓水堆RPV 密封方案，并通過基于ANSYS 的三維有限元方法，得到了評價RPV 密封性能的內外環軸向分離量、主螺栓載荷等關鍵指標，2 種RPV方案的密封性能均滿足要求。

RPV 2 的密封性能優于RPV 1，其中最關鍵的上下法蘭內環軸向分離量的安全裕量提高了13.4%，增加了海上小堆RPV 密封性能的可靠性，且2 種方案螺栓應力差別不大。

RPV 2 的設計尺寸較小，可以為空間限制嚴格的海上小堆RPV 密封結構設計提供理論指導。