基于热固耦合的安全壳设备闸门密封性分析

2020-09-21吴晨晖

压力容器 2020年8期

吴晨晖

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430000)

0 引言

设备闸门是核电安全壳压力边界的重要组成部分，在反应堆正常运行和异常运行期间，都要保证安全壳压力边界部分的完整性和密封性[1]。在核电站事故工况下，设备闸门与安全壳一起形成第三层屏蔽，包容放射性物质，是安全壳压力边界的重要组成部分，也是安全壳压力边界较薄弱的环节。

周新蓉等[1]基于ANSYS开展了不同压缩量、沟槽宽度、密封圈硬度下，密封圈的整体受力以及密封性的影响。左树春[2]通过针对AP1000安全壳整体变形对设备闸门密封面的变形影响，分析了事故工况下密封性能。徐道平[3]对各种橡胶材料及配方进行辐照老化、热老化、LOCA工况老化等多种老化模拟试验，研究出改性三元乙丙橡胶适用于不同事故工况下人员闸门的密封要求。

AP1000设备闸门在LOCA事故中密封结构同时承受0.407 MPa压力和149 ℃高温[4]，导致O形橡胶密封圈单侧受热而发生非对称膨胀，其密封圈各项应力势必发生明显变化，但现有研究仅限于固定温度或低温下的密封性能研究，尚未开展高温状态下的O形圈仿真研究。

本文采用ANSYS Workbench热固耦合的方法，模拟AP1000设备闸门密封圈在高温、高压状态的应力变化，分析设备闸门密封结构在LOCA事故下的密封性能及变化。

1 仿真模型的建立

1.1 密封结构几何模型简化

AP1000设备闸门主要由加强嵌板、贯穿件、闸门封头及一些附属结构组成，闸门周界设置36个直径27 mm的活节螺栓，贯穿件密封面设置两道沟槽，采用O形橡胶圈密封。事故工况下，由于温度压力对设备闸门的作用，将导致密封面发生分离现象。应首先构建设备闸门整体结构模型，分析其整体结构变形及温度分布，调取密封面边界条件加以分析。本文分析时，调取整体结构变形确定初始压缩量，同时调取设备闸门上下法兰温度值，作为初始边界条件。

根据调研,AP1000设备闸门的密封件材质为三元乙丙橡胶(EPDM)，2个O形密封圈在设备闸门法兰面上同心布置，密封圈的直径为19.05 mm[5]，弹性模量为7.84 MPa[3]，密封槽为燕尾形，密封槽深为16.12 mm[5]。三元乙丙橡胶在22 ℃时，热膨胀系数为0.000 25/℃，各向热导率取0.32 W/(m·℃)。设备闸门在温度压力作用下，密封面分离值约0.4 mm[2]，因此确定本文最终密封压缩量为2.53 mm。

图1 密封结构示意

通过ANSYS建立O形圈的二维轴对称模型，上部为法兰盖，中间圆形结构为O形圈，下部为燕尾形沟槽法兰，如图1所示。为提高计算精度和收敛性，采用四面体网格进行划分，模型共有6 793个节点，2 136个单元。

1.2 O形圈材料模型

橡胶材料的非线性主要表现在3个方面：(1)状态非线性，是由于橡胶材料与接触面的接触状态的不确定引起；(2)几何非线性，橡胶材料在荷载的作用下会产生大变形，其位移-应变关系为非线性；(3)材料非线性，橡胶材料的泊松比接近0.5，几乎不可压缩，还会产生蠕变和松弛，属于超弹性材料。

橡胶材料的应力-应变关系使用应变能密度函数来描述，在ANSYS中使用Mooney-Rivlin模型描述橡胶材料的本构关系，含有两个参数的Mooney-Rivlin方程为[6]：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中W——应变能密度；

C10，C01——Mooney-Rivlin系数;

I1，I2——第一、第二Green应变不变量。

根据密封圈材料的硬度或弹性模量可计算两个参数的具体值，密封圈弹性模量E与两个参数的关系如下式[7-8]：

C10+C01=E/6C01=0.25C10

(2)

文本研究对象为弹性模量7.84 MPa的三元乙丙橡胶橡胶圈，得到：C10=1.045 MPa，C01=0.261 MPa。

Mooney-Rivlin模型定义材料剪切强度为[9]：

G=2(C10+C01)

(3)

由此得到O形圈的剪切强度G=2.612 MPa。

1.3 有限元模型的建立

本文使用结构-热耦合分析，先进行温度场分析，在此基础上进行结构分析。

进行温度分析时，整个密封圈的温度场属于稳态分析，固定周围环境温度为22 ℃，O形圈单侧受温度载荷，不考虑热辐射，并设定上下法兰温度为149 ℃。在ANSYS计算时，设置O形圈右侧受149 ℃温度载荷，热膨胀系数为0.000 25/℃，各向热导率取0.32 W/(m·℃)，分析O形圈内部温度场自右向左逐渐变低，如图2所示。

图2 密封圈温度场分布示意

在结构计算中假设橡胶的材料性能不随温度发生改变，如弹性模量和泊松比。同时，O形圈材料的热物理参数也不随温度发生改变。计算时设置3个载荷步：(1)0～5 s,使法兰盖向下移动，对密封圈进行预压缩，模拟设备闸门密封圈在安装完毕后的应变；(2)5～15 s，向O形圈一侧施加均布的压力，模拟在右侧受到介质压力时的情况；(3)15～20 s，将温度场耦合在O形圈上，模拟其在右侧受高温时的变化。

O形圈首先承受法兰盖向下的位移载荷，压缩成长圆形，之后右侧受0.407 MPa压力，由于O形圈与上下法兰有摩擦接触，向左缓慢移动，承受温度载荷后，O形圈整体受热膨胀，且右侧膨胀面积明显大于左侧。O形圈von Mises变化见图3。

图3 密封圈受载荷变化示意

2 计算结果分析

O形密封圈密封性能的分析针对密封性能和材料安全性两个方面。密封性能指有效接触宽度、最大接触应力。最大接触应力代表了密封介质压力的能力，最大接触应力应大于介质压力。接触面宽度越大，表示密封失效的概率越低。材料安全性指von Mises应力和最大剪切应力。von Mises应力越大，越会加速橡胶材料的松弛，造成刚度下降，容易出现裂纹[10-11]。当O形圈的剪切应力超过橡胶材料的剪切强度时，则密封圈在此位置被撕裂，甚至被剪断，造成密封圈失效[12-13]。

2.1 施加温度载荷对静密封性能的影响

为了对比施加温度载荷与未施加温度载荷的应力分布情况，分别构建两种工况的有限元模型，计算工况有：(1)位移载荷;(2)压力载荷;(3)温度载荷。表1列出是否施加温度载荷，有效接触宽度、最大接触应力、最大剪切应力、von Mises应力结果对比。

表1 温度载荷对静密封性能的影响结果对比

由表1看出，在增加温度载荷后，von Mises应力、最大剪切应力、有效密封宽度和最大接触应力均呈现增加趋势。此时有效接触宽度8.4 mm，接触应力1.315 4 MPa，经与参考文献[3]试验数据对比，可认为达到有效密封，并有一定余量。von Mises应力、最大剪切应力增幅大于有效密封宽度和最大接触应力，可见在受温度载荷时，O形圈密封性能有一定提升，但受破坏可能性增幅更大。

2.2 不同温度载荷对静密封性能的影响

为了研究O形圈在不同温度载荷对密封特性的影响，分析不同温度下密封面Mises应力、有效接触宽度、最大接触应力以及最大剪切应力的变化规律，以及对密封圈密封性能的影响。由于AP1000在LOCA事故下设计温度为149 ℃，因此本文温度载荷选取为129，149，169，189，209 ℃，计算结果如表2所示。

表2 施加不同温度载荷对静密封性能的影响结果

由表2看出，随着温度载荷变化，最大接触应力、最大剪切应力、von Mises应力基本呈线性变化。如图4所示，在149 ℃时，有效接触宽度最低；在189 ℃时，最大接触应力变化率增加；在209 ℃时，最大剪切应力1.077 6 MPa，安全系数为43%，整体密封性能和材料安全性均在许可范围内。

(a)有效接触宽度 (b)最大接触应力

2.3 不同热膨胀系数对静密封性能的影响

O形圈右侧受热发生非对称膨胀，影响密封结构的密封性能。现选取热膨胀系数0.000 25～0.000 75进行分析，计算结果如表3所示。

表3 密封圈热膨胀系数对静密封性能的影响结果

由表3可以看出，随着热膨胀系数逐渐增大，有效密封宽度、最大接触应力、最大剪切应力、von Mises应力也逐渐增大，但均在密封许可的范围内。如图5所示，在热膨胀系数为0.000 55/℃时，最大剪切应力、von Mises应力变化速率最大。热膨胀系数为0.000 75/℃时，最大剪切应力最大，为1.447 9 MPa，剪切应力安全系数为55%。