核电厂排管容器爆破片设计与研究.pdf
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1、设备管理与维修2023 翼11(上)0引言爆破片作为一种非再闭式压力释放装置,其作用在于出现超压影响设备安全时,爆破片破裂泄放压力介质从而保护设备主体安全。重水堆核电站在核岛内慢化剂覆盖气体系统中安装有 4 个排管容器爆破片用于系统的超压保护,作为堆芯压力容器系统的重要部件,正常运行工况下其内部介质一旦泄漏将直接导致整个核岛厂房污染,该爆破片的可靠性直接影响核电机组的安全稳定运行。因此,对该爆破片的合理设计和选择提出较为严格的要求,同时考虑到系统本身的压力波动等影响,对爆破片的可靠性与使用寿命也提出了严格要求。本文通过对该排管容器爆破片在不同工况下部件强度、模态分析以及抗震分析计算,为核电设备
2、中爆破片的制造奠定了基础。1排管容器爆破片功能及设计参数排管容器爆破片为 18 英寸核 1 级管道上设备,位于反应堆排管容器顶部、反应性控制平台两侧。作为慢化剂覆盖气体回路上设备,该回路是封闭的氦气循环回路,当系统压力升高至90 kPa 时爆破片开始变形,上升至 138 kPa 时爆破片破裂、释放压力实现系统的超压保护功能。该爆破片为反拱刻槽型,关键参数信息见表 1。根据ASMEBPVC II-D 性能(公制),排管容器爆破片装置主要部件材料特性参数见表 2。2排管容器爆破片模态分析2.1爆破片结构模型化本文通过三维制图软件建立排管容器爆破片模型,并利用有限元分析软件进行网格节点划分,在进出口
3、法兰连接处施加边界约束,将 X、Y、Z 方向位移限制为 0。在有限元模型的建立时,首先对分析对象进行简化,从而建立结构的力学模型。在简化过程中,会删去垫片等零件,同时也要简化圆角、倒角等局部结构。图 1 为分析中模态计算和抗震计算的网格模型,模型采用SOLID187 结构实体单元和 TARGE170、CONTA174 接触单元进行结构离散化,单元为六面体网格、大小为 10 mm。2.2计算载荷爆破片抗震分析考虑计算载荷包括:淤内压和设备自重,核电厂排管容器爆破片设计与研究刘少伟1,徐军2,杨胜凯1,高兵兵1,程鑫3(1.中核核电运行管理有限公司,浙江嘉兴314300;2.上海华理安全装备有限公
4、司,上海201108;3.华东理工大学,上海200237)摘要:重水堆排管容器爆破片作为一种保护设备主体安全的安全附件,应用于重水堆核电厂核岛设备当中。根据排管容器爆破片运行工况要求设计各零部件并建立模型,从多个方面进行理论分析研究,结合 FEA(有限元分析)和抗震分析,为核电设备中爆破片装置的国产化制造设计奠定基础。关键词:排管容器爆破片;核电设备;FEA;抗震分析中图分类号:TM311文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.11.13表 1爆破片主要设计参数参数名称相关内容参数名称相关内容抗震分类DBE,A设计温度69 益安全等级1正常运行压力0
5、.028 MPa设计压力0.153 MPa最高运行压力0.153 MPaB 级工况压力0.153 MPa(背压)设计爆破压力0.138依0.015 MPaC 级工况压力0.028 MPa流体介质Helium表 2材料特性参数部件名称材料密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比170 益许用应力/MPa爆破片N0660084102110.31158夹持器、法兰F304L80301920.31115螺栓Gr B777502010.30172计分析并给出识别结果,通过实际样本测试,该方法的识别准确率达到 93%以上。参考文献1李传扬.高压电机定子绕组局部放电指纹库建立方法及放电模式识别技术研究 D
6、.太原:太原理工大学,2014.2王新,杨敏,金泱,等.基于热老化的发电机定子线棒局部放电特性研究 J.绝缘材料,2021,54(4):58-63.3王卓,郑祥,王仁锋,等.基于 WOA-BP 和 D-S 证据的高压电机局部放电模式识别方法 J.电机与控制应用,2022,49(11):40-47.4杨旗,曾华荣,黄欢,等.基于 BP 神经网络的输电线路隐患预放电识别研究 J.电力大数据,2020,23(3):47-54.5陈继明,许辰航,李鹏,等.基于时频分析与分形理论的 GIS 局部放电模式识别特征提取方法 J.高电压技术,2021,47(1):287-295.6韩世杰,吕泽钦,隋浩冉,等.
7、基于 EFPI 传感器的 GIS 局部放电模式识别研究 J.电力工程技术,2022,41(1):149-155.7艾嘉伟,牛海清,陈泽铭,等.基于神经网络的 D-S 多信息融合 GIL局部放电联合识别方法 J.高电压技术,2022,48(12):4925-4932.8王永.基于电-声综合分析的变压器局部放电模式识别研究 D.保定:华北电力大学,2011.编辑吴建卿輧輲设备管理与维修2023 翼11(上)图 2爆破片装置 1 阶模态即 DPD 和 DW 载荷;于地震载荷,采用等效静力法以加速度值施加。根据系统设计手册数据,分析中两个水平方向为 1.5g,竖直方向为 1g。每个螺栓扭矩大小为 62
8、0 N m,得出预紧力大小为103 333 N。2.3设备应满足的准则2.3.1承压部件爆破片应满足的规范和准则本爆破片装置在 DBE,A 地震作用下,应保持设备结构完整性和可运行性。不同工况下的载荷组合及其应力限值如表3所示,其中 Sm为材料设计应力强度值、Pm为拉伸应力。2.3.2连接螺栓应该满足的规范和准则按照 ASME BPVC-芋 核设施部件建造规则第一册 NB 分卷 中 NB-3230 和 ASME BPVC-芋 核设施部件建造规则第一册附录 中 F-1335 规定,螺栓拉应力 ft不超过 0.7Su和 Sy中的较小值;螺栓剪应力 fv不超过 0.42Su和 0.6Sy中的较小值;
9、拉剪组合应力不超过 1,即ft2(Ftb)2+fv2(Fvb)2臆1。2.4模态分析结果采用有限元法对爆破片装置进行模态计算,确定爆破片装置的固有频率和振型。计算模型中对爆破片装置两端面加上固定约束条件,在模态计算时提取前三阶固有频率数。该爆破片装置的 1 阶、2 阶和 3 阶固有频率的计算结果分别为 784.86 Hz(振动方向 Z方向)、784.88 Hz 和 810.47 Hz。基频结果图在 ANSYS 后处理模块中显示的一阶模态变形云图;从图 2 中可以看出,其振型沿着 Z方向。从结果可知,爆破片装置的最低阶固有频率为 784.86 Hz,表明该爆破片装置结构刚性好,在抗震计算时可采用
10、等效静力法。3排管容器爆破片计算与评定根据上述模态分析结果,对排管容器爆破片进行等效静力学抗震分析,验证其在不同工况下保证压力边界的完整性,同时不丧失本身的功能。3.1设计工况下的应力评定在设计工况下,爆破片装置承受的载荷有自重、设计内压、设计温度和螺栓预紧力。在 ANSYS 建立相应的有限元模型进行分析,设计工况下在入口内表面及爆破片上施加设计压力0.153 MPa;垂直方向上施加重力加速度 1g;固定爆破片装置出入口法兰端面;在每个螺栓上施加 103 333 N 的预紧力;螺栓结构与法兰接触位置为摩擦接触,摩擦因数 0.2。图 3 为设计工况下爆破片装置总体的应力及变形云图,并对重要零件进
11、行应力评定,应力评定准则为 滓mSm。3.1.1出、入口法兰应力评定根据模型中设计工况下出入口法兰的应力云图,由出口法兰内压产生的最大应力为 9.655 1 MPa,入口法兰由内压产生的最大应力为 2.508 6 MPa,小于材料的许用应力值。因为出图 3爆破片装置的整体应力和变形云图图 1排管容器爆破片有限元模型表 3满足的准则和许用应力限值工况类型载荷应力限制设计工况正压 0.153 MPa,重力,螺栓预紧力Pm臆SmB 级工况背压 0.153 MPa,重力,螺栓预紧力Pm臆SmC 级工况 正压 0.028 MPa,重力,螺栓预紧力,地震加速度Pm臆Sm輧輳设备管理与维修2023 翼11(
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