朴 君,杜海鸥

(中国原子能科学研究院，反应堆工程技术研究，北京102413)



基于有限元分析法的钠火事故下钢覆面完整性分析

朴 君,杜海鸥

(中国原子能科学研究院，反应堆工程技术研究，北京102413)

中国实验快堆钠工艺间的钢覆面结构是防止泄漏的钠与混凝土接触的重要屏障，其完整性直接关系到钠火事故下建筑结构的完整性和可靠性。本文以中国实验快堆309管廊间作为研究对象，梳理了可能破坏钢覆面结构完整性的各项因素，基于池式钠火分析软件的输出结果，在建立钢覆面破损二维瞬态模型的基础上，利用ANSYS热-结构耦合功能系统地分析了钢覆面的应力集中区的产生规律。研究表明，在发生超设计基准的钠泄漏钠火事故时，钢覆面上的漏钠燃烧持续30min后，其厚度从3 mm腐蚀至1.53 mm，并在两块钢板的焊接部两端出现应力集中区，最大应力超过了材料的屈服强度，材料发生塑性变形，存在断裂的风险。本文的研究结果对后续快堆钢覆面结构的设计和安全评定方面具有一定的参考价值。

钢覆面破损；ANSYS；池式钠火

中国实验快堆采用液态金属钠作为冷却剂。由于钠的化学性质非常活泼，一旦发生泄漏事故，泄漏的钠中包含的大量显热和燃烧过程中释放出的大量的热量会使房间中的压力和温度显著升高。因此，在快堆安全分析中的设计基准事故和超设计基准事故中均考虑了不同规模钠火事故的后果。为了防止高温的漏钠与混凝土结构的直接接触，抑制可能发生的钠火蔓延，中国实验快堆钠工艺间均采用了混凝土上方敷设钢覆面结构的方式。在发生钠泄漏事故时，若钢覆面的完整性一旦遭到破坏，高温的钠与混凝土直接接触，导致混凝土结构的软化、脱水、开裂等一系列后果，影响建筑结构的可靠性和完整性。

钠火事故后果对钢覆面结构的影响主要有热力学后果和化学后果。热力学后果表现在发生钠火的房间的温度和压力升高。房间内气体温度和高温钠本身的不均匀分布可能会导致钢覆面结构热应力分布变化。化学后果包括钠与钢覆面材料的反应，高温的钠对钢材的腐蚀侵蚀作用显著，会对钢覆面结构完整性产生严重侵蚀。

本项研究的目的在于，利用钠火分析软件对中国实验快堆一回路309房间进行热动力学后果分析的基础上，找出可以引起钢覆面破损的各项因素，并对可能出现穿透性损伤的钢覆面薄弱点从钠火的热动力学后果和化学后果的角度出发进行有限元分析，判断钠火工况下的钢覆面结构能否保持结构完整性。

1 钠火热动力学后果分析

快堆严重事故分析中的超设计基准事故中考虑了一回路无保护套的外辅助管断裂或泄漏的同时隔离阀关不住的情况[1]。在以往的钠泄漏事故分析中，破口尺寸采用Dt/4方法来计算，而近年来在安全分析中更倾向于考虑全截面断裂的情况。钠净化系统主管道尺寸为 89 mm×4.5 mm，在发生全截面断裂事故时由泄漏流量计算公式计算出钠的泄流量为81.49 kg/s。事故发生地点为一回路钠净化系统管廊(309房间)。309房间的地板面积为58.5m2，高3 m，额定通风量为1 615m3/h，泄漏的钠初始温度为500℃。本事故保守假设虹吸破坏装置不能起作用且光电感烟型报警器探测到钠火并形成信号报警的时间取3 min，自动关阀门时间20s，泄漏时间共计200s，共流出16 298 kg。考虑到该房间已布置漏钠接收抑制盘，钠燃烧量不超过其泄漏量的10%，因此最大燃烧量为 1 629.8 kg。

利用SPOOL池式钠火分析软件计算出了发生池式钠火时地板结构的温度分布情况。如图1所示，SPOOL程序适用于钠冷快堆中铺有钢覆面房间内不同通风条件下池式钠火的瞬态分析计算。该程序模拟钠燃烧过程中钠和氧气的化学反应、钠燃烧热在各种介质中不同方式的传递、钠气溶胶的产生和沉积以及各种通风条件下多种介质间的质量和能量交换等瞬态过程，描述了钠燃烧过程中各种特征参数随时间的变化[2]。

图1 房间模型示意图Fig.1 Schematic diagram of room model

通过计算出了地板结构和墙面混凝土结构的温度趋势，如图2、图3所示。从图中可以看出，泄漏的钠在钢覆面上发生池式燃烧时，局部钢覆面的最高温度可达754 ℃，局部混凝土的温度超过了混凝土脱水温度(80 ℃)。中国原子能科学研究院的杜海鸥、王荣东等人的实验数据表明，钠池燃烧时实际测量到的最高温度超过900 ℃，燃烧蒸汽相中的最高温度超过 1 000 ℃，达到1 200 ℃[3]。

图2 地板结构温度变化Fig.2 Temperature of floor structure

图3 墙面混凝土温度变化Fig.3 Temperature of wall concrete

2 钢覆面破损机理分析

钢覆面是快堆防钠火设计中隔绝混凝土与高温钠直接接触的主要防线。中国实验快堆一回路钠工艺间的地板和不高于1 010 mm的墙裙部分采用3 mm厚的不锈钢覆面，并在钢覆面和混凝土之间还设置了100 mm厚的绝热层，高于1 010 mm的墙面和天花板采用6 mm厚的碳钢覆面，并在钢覆面和混凝土之间设置了5 mm厚的绝热层纸。钢覆面板焊接后通过槽钢来支撑，槽钢与安装在混凝土中的预埋件相固定。

从热动力学后果和化学后果的角度出发，通过分析能够威胁到钢覆面完整性的主要因素为以下三种：钢板受热膨胀；热钠腐蚀作用；水蒸气积聚产生的压力。

2.1 钢板热应力

309房间地板钢覆面由多块大小不一的钢板拼接而成。在局部钢覆面上泄漏的钠发生燃烧时局部钢覆面受热升温，由于热传导其周围温度随之升高，会引起钢覆面的凸起变形。尤其在两块钢板的焊接区，隐藏有加工时的残余应力，它会使任何外加应力的作用加大(见 图4)。此外，如果材料中有裂纹，则所有与之相垂直的应力都会集中在裂纹周围，致使裂纹尖端附近的应力超过材料的屈服应力，出现塑性流变，因此存在材料破裂的隐患。因此在判断钢覆面结构完整性时，有必要考虑钢覆面热应力的影响。

图4 钢覆面变形示意图Fig.4 Schematic diagram of steel liner deformation

2.2 高温钠腐蚀作用

据国外文献报道[4]，高温钠与钢材接触时会发生钠铁氧化物熔融盐型腐蚀，钠燃烧产物——过氧化钠与钠-水(空气中的水分)反应产物——氢氧化钠共同作用下会对钢材产生腐蚀作用，产生钠铁复合型氧化物，且这种腐蚀作用在温度高于500℃时尤为显著，并随着温度的升高腐蚀速率按指数型规律增长(见图5)，对钢材带来不可逆的损伤。通过钠火热动力学后果分析可知，漏钠燃烧时钢覆面的最高温度超过了800℃，且燃烧初期的较长时间内一直处在500℃以上的高温环境中，会发生较为严重的热钠腐蚀作用。

图5 腐蚀速率随温度变化关系Fig.5 Corrosion rates of steel in sodium

文献[4]中报道了不同温度下高温钠对不锈钢材料的腐蚀速率，再结合上述钠火热动力学后果分析结果，可以得到钠燃烧过程中发生的钢板腐蚀情况。如图6所示，经过30min的燃烧腐蚀，钢板的厚度由最初的3 mm只剩1.53 mm。

图6 钢覆面温度与剩余厚度Fig.6 Temperature and residual thickness of steel liner

2.3 水蒸气积聚产生的压力

池式钠火持续的时间相对较长，除向空气散热外，大量热透过绝热层向混凝土层传到，混凝土温度超过其脱水软化温度时会出现脱水现象。由于钢覆面结构中未设计用于导出蒸汽的结构，因此从混凝土释放出来的水蒸气积聚在钢覆面板和绝热层之间的狭缝内，加剧钢覆面板的膨胀隆起。利用混凝土脱水速率计算公式，再结合混凝土结构的平均温度变化，可以求出从混凝土中释放出的水蒸气的质量以及相应的等效压强。

3 钢覆面破损模型有限元分析

通过上述分析可知，可能对钢覆面结构完整性产生威胁的因素有三种。出于保守假设的原则，假设钢覆面的某一位置，上述三种因素同时叠加出现(见图7)，并对建立的模型进行有限元分析。

图7 破损因素示意图Fig.7 Schematic diagram of fracture factor

如图8所示，具体分析有两种情况：(a) 漏钠形成一定高度的钠池时，被钠池淹没的垂直壁面上的焊接处；(b) 水平放置的地板钢覆面焊接处，上部有漏钠燃烧。

图8 钢覆面破损模型的两种情形Fig.8 Two cases of liner’s failure model

3.1 建立分析模型

基于上述分析，建立了二维的计算模型，腐蚀深度考虑1.5 mm，模型尺寸分别是两块 10 cm长的钢板和1 cm宽的焊接部，其中一块钢覆面的厚度为3 mm，另一块存在漏钠的钢覆面厚度为1.5 mm。该模型可同时包络上述两种情况下的钢覆面变化。

钢覆面材质为0Cr18Ni10Ti，焊接部分采用E308焊条。钢材的结构和热力学参数受温度影响较大，因此材料参数的输入考虑了温度的影响，材料的部分物理性能参数如表1所示。

表1 钢覆面材料的物理性能参数[5]

3.2 定义边界条件，进行求解

施加在钢覆面破损模型上的边界条件分为结构边界条件和热边界条件。结构边界条件包括：强制位移载荷、压强载荷；热边界包括：上表面温度场载荷、下表面对流载荷。其中的温度场来自SPOOL软件的计算输出，以随时间变化的函数形式加载到模型中。

在用ANSYS来模拟计算温度场和应力场时采用直接耦合法，使用四结点二维耦合场单元PLANE13[6]，同时计算得到热分析和结构应力分析的结果。

图9 钢覆面温度与位移分布Fig.9 Distribution of steel liner’s temperature and displacement(a) 温度分布;(b) 位移分布

4 结果分析及讨论

4.1 温度场分布和位移云图

图9示出了有漏钠一侧钢覆面在燃烧 1 800 s 后的温度场分布和位移云图。从图中可以看出，由于钢覆面厚度较薄，在其厚度方向上几乎不存在温度梯度，而两块钢覆面的接触部分存在较大的温度梯度，因此可能会出现相应的热应力。在1 800 s时刻，钢覆面Y方向最大位移达到了6.1 mm，最大位移出现在存在漏钠的钢覆面中心部位。

4.2 应力场云图

图10分别示出了1 800 s时刻沿钢覆面上、下表面的应力变化趋势。其中前0～0.1 m部分为变形较为严重的钢覆面，0.1～0.11 m部分温焊接处，焊接部分的两个端部出现较为严重的应力集中。最大等效应力1.7 GPa超过了材料在该温度下的屈服强度，材料出现了塑性变形。

图10 上、下表面的等效应力分布Fig.10 Von Mises stress distribution of upper surface and lower surface(a) 沿上表面的等效应力变化；(b) 沿下表面的等效应力变化

从图10中可以看出，应力集中点位于两块钢覆面焊接连接处，且未腐蚀钢覆面一侧焊接部分的应力更大。图11是出现应力最大值的点在0～1 800 s内的等效应变的变化情况。

图11 应变变化趋势Fig.11 Variable trend of strain

在整个钠燃烧过程中焊接部分的应变显著增加，最大应变为1.2%。

5 结论

本文基于池式钠火分析软件SPOOL计算得到的热动力学后果作为输入，对钢覆面破损模型进行了热-结构耦合有限元分析。通过计算可知，在发生超设计基准钠火事故时在热应力和热钠腐蚀等诸多作用因素下，309房间地板不锈钢钢覆面存在断裂的风险。因此，在后

续的快堆钠工艺间钢覆面设计过程中，有必要对钢覆面结构进行优化，可以从以下几个方面进行进一步探讨：

(1) 采用能够缓和应力集中的钢覆面连接方式；

(2) 在材质的选择上，考虑高温性能更好且能够更好抵御热钠腐蚀的材料；

(3) 在混凝土结构中设置气体导出管，防止水蒸气等气体的积聚。

[1] 田和春.中国实验快堆初步安全分析报告:事故分析[R]. 北京：中国原子能科学研究院,2003:156-159.

[2] 喻宏.快堆钠火分析研究[D].北京:中国原子能科学研究院,2000:14-25.

[3] 杜海鸥,申凤阳,徐永兴.钠工艺间地面保护层结构的研究[R]. 北京:中国原子能科学研究院,2007:8-9.

[4] R Currie. The corrosion of steels by hot sodium melts, IAEA/IWGFR TCM on Evaluation of Radioactive Materials Release and Sodium Fires in Fast Reactor[R].O-arai,Japan,November,11-14,1996

[5] 秦晓钟,膝明德. 世界压力容器用钢手册[M],北京:机械工业出版社,1995:222-224

[6] 张朝晖. ANSYS12.0热分析工程应用[M],北京:中国铁道出版社,2010:357-473

Integrity Analysis of Steel Liner Under Sodium Fire Based on the FEM

PIAO Jun, DU Hai ou

(China Institute of Atomic Energy，P. O. Box 275-34，Beijing 102413，China)

The steel liner of CEFR sodium cell is an important boundary which can prevent the contact of leaking sodium and concrete，and its integrity will effect the integrity and reliability of buildings directly when sodium fire happens. The paper takes 309 sodium cell of CEFR as research subject, and sorts the influencing factors of steel liner’s integrity. The paper also analysis the distribution of the stress and strain by means of ANSYS thermal structural coupling, on the basis of steel liner’s failure two-dimensional transmit model. The study shows that the steel liner in BDBA sodium fire will be corroded from 3 mm to 1.53 mm after 30 min firing of leaking sodium. And at the same time, there will be an area of stress concentration at the welding portion between two steel liners, which will lead to the plastic deformation or even fracture. The study results have value for the steel liner’s structure design and safety assessment.

Steel liner’s failure；ANSYS；Sodium pool fire

2016-12-27

朴 君(1988—)，男，吉林延边人，助理工程师，硕士，主要从事钠火探测与消防研究工作

TL43

A

0258-0918(2017)02-0257-06