朱永波，翟立宏

由于反应堆压力容器及其进、出口接管等都属于一级核承压设备，其安全评定结果直接关系到核电厂的安全。因此，对其进行的安全评定要严格遵守相关的规范、标准和法规。本工作所依据的分析设计标准和规范是ASME（2004版）第Ⅲ卷NB分卷及附录F。

1 功能介绍

反应堆容器是用于支撑和封闭反应堆芯的高压安全壳边界。容器为圆柱形，带有半球形下封头和可拆卸的法兰半球形上封头（顶盖）。进口接管用于调节反应堆冷却剂的流量，通过出口接管使冷却剂在堆芯周围循环，将堆芯的热量传送到蒸发器进行发电。

2 计算假设

（1）建立在材料为均质、各向同性并符合小变形假设的以线弹性为基础的弹性应力分析。

（2）为满足各种工况，该有限元模型的边界条件必须能够模拟真实结构的受力状态。

（3）由于堆焊层被设定为不承载，故该有限元模型不包含堆焊层结构。

3 计算思想

依据ASME（2004版）规范，本文采用Tresca屈服准则，构件中某点处的应力强度为该点处的最大剪应力的2倍，即：

式中，S—构件中某点处的应力强度（N/mm2）；

分析设计法要求对结构件各部位所受各种应力进行详细分析计算，并根据应力在构件上的分布、产生的原因以及对引起失效的作用的不同分为一次应力、二次应力和峰值应力。一次应力P也称基本应力，是指由外加载荷在容器中产生的应力，一次应力为直接参与和机械载荷相平衡的应力，具有非自限性的基本特征。一次应力又分为一次总体薄膜应力Pm、一次弯曲应力Pb和一次局部薄膜应力PL。二次应力Q是指由相邻部件的约束和结构自身约束所引起的应力，在结构不连续处的弯曲应力和热应力都属于二次应力。峰值应力F是由局部结构不连续性和受局部热应力的影响而附加于一次及二次应力和值之上的应力增量，其主要特点是具有高度的局部性，不会引起任何明显的变形，仅可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。

本文采用的ANSYS软件是世界范围内最先通过ISO9001质量体系认证的分析设计类软件，同时也是获得国家核安全局和全国锅炉压力容器标准化技术委员会认可的分析软件之一。

4 分析计算

4.1 模型建立

因反应堆容器结构和载荷均具有对称性，故取整体模型的1/2为计算对象。在建模过程中以下结构不予考虑：

（1）顶盖贯穿件和IHP支撑与吊耳结构。

（2）安注接管结构。

（3）堆芯支撑、分流裙筒支撑。

（1）实时切换。支持快速实时编辑切换、实时播出回放，广泛应用于演播室播出、多机位录制等各种同步素材应用场景，并可与非编精剪综合应用。

由于进、出口接管的关联性较大，因此建模时也应考虑出口接管结构对进口接管结构的影响。

建模后对分析模型进行有限元单元划分，采用六面体单元（20节点Solid186号），该单元具有较好的计算精度，可以得到较稳定、可信的计算结果；对重点部位进行细划分；最后共得到600005节点，404536单元（见图1）。

图1 单元划分

4.2 材料参数[1]

本文中所需材料参数均来自ASME锅炉及压力容器规范第Ⅱ卷（见表1、表2）。

表1 进、出口接管SA-508，Gr.3，CL.1

表2 螺栓SA-540，Gr.B23，CL.3

4.3 边界约束与加载

约束边界 本文选用整体模型的1/2，因此在对称面施加对称约束，同时在两个进口接管支撑台位置建立槽钢形状模拟块以约束底面在UX、UY、UZ方向位移为零（见图2）。支撑台与模拟块之间建立接触关系（摩擦系数设为0）。

载荷 (1)内压、螺栓预紧载荷及自重； (2)设计规格书中提供的进、出口载荷和顶盖及筒体法兰上所受来自堆芯的载荷； (3)出口接管内伸载荷。

图2 模型边界和载荷

4.4 有限元分析

（1）应力评定准则[2]

根据设计规范要求给出具体应力分类评定准则（见表3），表中Pm为总体薄膜应力；PL为局部薄膜应力；Pb为一次弯曲应力；Q为二次应力；Sm为设计应力强度；Sy为材料屈服极限。

表3 应力分类评定准则

（2）计算结果

由于出口接管在D级工况下补强内、外的载荷不同，因此在计算补强之外的应力强度时，需单独建立出口接管的分析模型进行计算。

各个工况下的接管载荷、出口接管内伸载荷、顶盖和筒体法兰来自堆芯的载荷按照设计规格书中的规定经相应的载荷组合后进行计算 (见图3～图8)。

图3 设计压力下应力强度

图4 A级热量载荷下应力分布

图5 B级热量载荷下应力分布

图6 SSE、LOCA载荷下应力分布

图7 D级（A）补强外应力分布

图8 D级（C）补强外应力分布

(3)应力结果评定

经计算分析得出应力评定结果（见图9、表4）。

其中路径C12、C13为在接管补强区外选取。表4各个二次应力分类数据中已经包含了热应力的影响。

图9 应力评定路径

（4）总体薄膜应力的确定

在评定应力结果时，我们需要评定总体薄膜应力，但是受结构不连续和载荷的影响，某些路径无法直接通过有限元计算结果取得该项数值，对此可以通过理论计算求得。

壳体上的总体一次薄膜应力可以通过理论公式计算得到：

其中，Ftmax为考虑内压，接管载荷和自重等产生的沿壳体轴向的力（由于压力产生的环向应力为拉应力，因此假设Ftmax为压应力，以求得数值上的最大和最小主应力），Fvmax为切向力；在计算总体薄膜应力时，不需要考虑弯矩，而由弯矩引起的弯曲应力可以在有限元计算中得到。

表4 应力分类评定结果

在轴向剖切面上的主应力则可以通过下式计算：

环向应力主要由压力产生，可以根据力学计算公式计算得到：

式中，P—压力载荷（Pa）；d—接管内径（mm）；t—接管壁厚（mm）。

取这三个主应力中最大的代数值为最大主应力，最小值为最小主应力，则总体一次薄膜应力强度为：

5 结语

（1）从以上数据统计可以看出，该反应堆压力容器的接管结构强度满足规范要求。

（2）本文评定内容只是全面评定工作的一部分，其它还应包含疲劳、热棘轮、防断裂等方面的计算与评定。

[1]ASME锅炉及压力容器规范第Ⅱ卷.2004.

[2]ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ卷.2004.