核级温度计套管抗震分析与疲劳评定.pdf

收稿日期:作者简介:尤国英(),男,江苏苏州人,研究员,学士,从事结构设计及应力分析工作(E m a i l y g y c o m).核级温度计套管抗震分析与疲劳评定尤国英,万国良,刘银芳,蒋益新(中国船舶集团有限公司第七三研究所无锡分部,江苏无锡 ;上海自动化仪表有限公司自动化仪表三厂,上海 )摘要:采用有限元法对某核级温度计套管进行抗震分析和疲劳评定.建立了温度计套管抗震分析和疲劳分析的力学模型,介绍了疲劳分析方法和脉动载荷及设计瞬态载荷,计算了结构的固有频率、应力强度和疲劳损伤系数,并依据A S MEB P V C 及A S MEP T C TW规范进行结构应力评定和疲劳损伤评定.分析结果表明,核级温度计套管的抗震性能和疲劳寿命满足规范要求.采用的分析方法对核电厂设备的抗震鉴定和疲劳安全评定有一定的借鉴意义.关键词:核级温度计套管;抗震分析;疲劳损伤系数;设计瞬态工况;有限元法中图分类号:P 文献标志码:A文章编号:()S e i s m i cA n a l y s i s a n dF a t i g u eA s s e s s m e n t o naN u c l e a rG r a d eT h e r m o w e l lYOUG u o y i n g,WANG u o l i a n g,L I UY i n f a n g,J I AN GY i x i n(W u x iD i v i s i o n,N o R e s e a r c hI n s t i t u t e,C S S C,W u x i,J i a n g s uP r o v ,C h i n a;N o F a c t o r y,S h a n g h a iA u t o m a t i o nI n s t r u m e n t a t i o nC o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:S e i s m i ca n a l y s i sa n df a t i g u ea s s e s s m e n tw e r ec o n d u c t e do nan u c l e a rg r a d et h e r m o w e l lb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d T h em e c h a n i c a lm o d e l f o r s e i s m i c a n a l y s i s a n d f a t i g u e a n a l y s i sw e r e e s t a b l i s h e d T h e f a t i g u e a n a l y s i sm e t h o da n df l u i dp u l s a t i n g l o a da n dd e s i g e nt r a n s i e n t c o n d i t i o n sw e r e i n t r o d u c e d T h en a t u r a l f r e q u e n c ya n ds t r e s s i n t e n s i t ya n d t h e f a t i g u ed a m a g ec o e f f i c i e n t o f s t r u c t u r ew e r ec a l c u l a t e d T h es t r u c t u r es t r e s sa n d f a t i g u ed a m a g ew e r e e v a l u a t e da c c o r d i n g t oA S MEB P V C a n dA S MEP T C TWs t a n d a r d s A n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a t t h es e i s m i cp e r f o r m a n c ea n df a t i g u e l i f eo f t h en u c l e a rg r a d et h e r m o w e l l s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fr e l e v a n t s t a n d a r d s A n a l y s i sm e t h o d sh a v es o m er e f e r e n c es i g n i f i c a n c ef o rt h es e i s m i cq u a l i f i c a t i o na n df a t i g u es a f e t ya s s e s s m e n to f e q u i p m e n t i nan u c l e a rp o w e rp l a n t K e yw o r d s:n u c l e a r g r a d e t h e r m o w e l l;s e i s m i c a n a l y s i s;f a t i g u ed a m a g e c o e f f i c i e n t;d e s i g n t r a n s i e n t c o n d i t i o n s;f i n i t ee l e m e n tm e t h o dC L Cn u m b e r:P A r t i c l e c h a r a c t e r:AA r t i c l e I D:()温度计套管广泛应用于石油、化工、电力等行业的各类流体管道的温度测量.常见的温度计套管类型有锥形、直形、阶梯形,通过法兰、螺纹或承插焊的方式被固定在流体管道的接管支座上,以保护温度计等测量元件不受流体侵蚀影响.温度计套管在流体中受到多种力的共同作用,包括流体冲击引起的稳态应力、卡曼漩涡引起的动态激励等,特别是当漩涡的激励频率与温度计套管固有频率相近时会产生共振,使温度计套管断裂,导致安全生产事故.应用于核电厂反应堆冷却剂系统的核级温度计套管,属于抗震I类设备,其工作环境十分严酷,特别是在受到地震、流体冲击和循环运行载荷同时作用时可能会导致破裂损坏.因此,其结构设计和力学性能分析显得尤为重要,必须满足抗震要求和疲劳强度要求.目前,温度计套管的设计和性能分析大多依据A S ME P T C TW规 范.该 规 范 在 年进行了较大的内容更新,从套管的受力分析开始,对套管的共振抑制条件、动态应力评估、静态应力评估、允许最大静态外部压力等方面进行了深入分析,对温度计套管的选型计算具有很好的指导作用.文献 对温度计套管的设计方法、性能分析和应力计算进行了研究,文献 对温度计套管的流致振动及共振频率进行了研究,但这些研究未涉及温度计套管的疲劳损伤评估.本文采用有限元方法对某核级温度计套管进行抗震分析以及高周疲劳分析和低周疲劳分析.计算了温度计套管的固有频率和各载荷工况的结构应力以及各设计瞬态配对组合工况的疲劳损伤系 数,并 依 据 按A S ME B P V C 规 范和A S MEP T C TW规范进行应力评定和疲劳损伤评定.力学模型 结构描述及材料参数某核级温度计套管长度为 mm,接口端外直径为 mm,安装于核电厂反应堆冷却剂系统管路上,安装方式为焊接,如图所示.主要设计参数:设计压力为 M P a,设计温度为 ,设计寿命为 a,冷却剂最大流速为 m/s.核级 温 度 计 套 管 的 材 料 为 奥 氏 体 不 锈 钢(A S TMS A F L N),在设计温度下材料的力学性能参数见表.图温度计套管安装示意图F i g I n s t a l l a t i o no f t h e r m o w e l l表材料的力学性能T a b l eT h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fm a t e r i a l s弹性模量/G P a泊松比热膨胀系数/屈服极限/MP a抗拉强度/MP a基本许用应力强度/MP a 有限元网格模型依据设计图纸建立三维几何模型,然后导入AN S Y SW o r k b e n c h有限元分析软件,再进行添加材料参数、划分网格、施加边界及载荷条件、设置分析参数,最后求解和结果后处理.核级温度计套管的有限元网格模型见图,采用六面体单 元S O L I D ,共 划 分 个 节 点,个单元.边界条件为:与接管支座焊接处的表面固定节点全部自由度.图有限元网格模型F i g T h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h e r m o w e l l抗震分析 载荷条件依据A S ME B P V C 规 范N B 规 定,不同载荷工况对应不同使用限制.温度计套管的载荷工况见表,其中,W表示重力,P表示设计压力,R T D表示温度计反作用力,F表示流体稳态作用力,T表示设计温度,S S E表示安全停堆地震载荷.地震载荷按静态载荷考虑,输入惯性加速度值,同时作用在三个坐标轴方向,每个方向加速度取 g(g为重力加速度).表载荷工况T a b l eL o a dc o n d i t i o n s载荷工况使用限制载荷组合正常A级WPR T DFT异常B级W PR T DFT紧急C级W PR T DFT事故D级W PR T DFTS S E 应力限值采用弹性分析方法进行应力评定,各类应力在不同使用限制下的应力限值见表.其中,Pm为总体薄膜应力,PL为局部薄膜应力,Pb为弯曲应力,Pe为膨胀应力,Q为二次应力,Sm为基本许用应力强度,Su为抗拉强度.表应力限值T a b l eS t r e s s l i m i t应力类别使用限制A级B级C级D级PmSm Sm Smm i n(Su,Sm)PLPb Sm Sm Smm i n(Su,Sm)PLPbPeQSmSm 应力计算结果及其评定各载荷工况下的最大应力强度列于表,各载荷工况的应力最大值出现在套管圆弧过渡段,因该处受到应力集中效应的影响较大,图显示了事故工况下的应力强度分布云图.在应力最大值处进行应力线性化处理,得到薄膜应力及弯曲应力,应力评定结果见表,强度满足要求.表最大应力强度T a b l eT h em a x i m u ms t r e s s i n t e n s i t y载荷工况最大应力强度/MP a正常 异常 紧急 事故 表应力评定结果T a b l eR e s u l t so f s t r e s s e v a l u a t i o n载荷工况(使用限制)应力类别最大应力/MP a应力限值/MP a正常(A级)Pm PLPb PLPbPeQ 异常(B级)Pm PLPb PLPbPeQ 紧急(C级)Pm PLPb 事故(D级)Pm PLPb 图事故工况下应力强度F i g T h es t r e s s i n t e n s i t yu n d e ra c c i d e n t c o n d i t i o n s高周疲劳分析 流体脉动载荷流体流经温度计套管时,会产生频率为fs的卡曼漩涡,使温度计套管发生振动,当振动产生的动态应力过大时会引起高周疲劳破坏.如图所示,温度计套管受到两个周期性脉动载荷,一个是垂直于流动方向,沿Y轴方向频率为fs的横向升力PL;另一个是平行于流动方向,沿Z轴方向频率为fs的流向拉曳力Pd.用投影到温度计套管截面积上的压力表示,脉动载荷的幅值可按下式计算:PdCdVPLCLV()式中,为流体密度,V为流速,常数Cd ,CL.漩涡脱落频率fs按下式计算:fsNsVB()式中,Ns为斯德努哈尔数(一般可取 ),V为流速,B为温度计套管自由顶端部直径.图流体脉动载荷F i g T h ep u l s a t i n gl o a do f f l u i d 固有频率计算结果有限元计算得到的前阶固有频率见表,因结构对称而出现重频,但模态振型方向相互正交,第阶模态振型见图.按A S M EP T C TW规范公式进行计算,第阶固有频率为 H z,两者对比,结果非常吻合,说明了计算模型的正确性.按规范公式计算得到的漩涡脱落频率fs为 H z,远大于结构的第阶固有频率,因此不会发生共振.表固有频率T a b l eT h en a t u r a l f r e q u e n c y阶次,频率/H z 图第阶模态振型F i g T h e f i r s tm o d a lm o d e 动应力计算结果及其评定依据A S MEP T C TW规范要求,流体载荷作用产生的动态应力Sd应不超过疲劳应力极限Sf.查材料F L N的N S曲线,按无限寿命(循环次数 )考虑,得到Sf MP a.考虑最大设计流速下的脉动载荷,有限元计算得到动应力强度最大值为 MP a,低于疲劳应力极限,因此,动应力强度满足规范要求.低周疲劳分析 疲劳分析方法A S MEB P V C 规范第册N B 给出了核安全级部件的疲劳分析方法和实施步骤.疲劳分析是以结构峰值应力强度与材料疲劳曲线(即S N曲线)进行比较为基础的,考虑由循环运行工况引起的应力循环,确定交变应力强度的变化范围.A S MEB P V C 规范规定,应考虑不同工况下应力循环的叠加作用,故需对各瞬态工况进行配对组合.利用AN S Y S疲劳分析模块对各个配对组合工况进行疲劳分析,计算得到各配对组合工况下的交变应力强度、实际循环次数、许用循环次数和疲劳损伤系数,根据M i n e r理论 计算累积疲劳损伤系数,即累积疲劳损伤系数U按下式计算:UUiniNi()式中,Ui、ni、Ni分别是各配对组合工况下的疲劳损伤系数、实际循环次数、许用循环次数.当累积疲劳损伤系数U时,就认为不会产生疲劳失效.设计瞬态工况对于反应堆冷却剂系统(R C S),设计瞬态工况多达 多个,本文通过适当的包络处理,归纳出 个设计瞬态工况(见表).例如,对于电厂全范围升温运行工况,其R C S的压力瞬态和温度瞬态如图、图所示.表设计瞬态工况T a b l eD e s i g nt r a n s i e n t c o n d i t i o n s工况号设计瞬态工况冷却剂主泵启动、停运电厂全范围升、降温电厂低温部分升、降温电厂高温部分升、降温低功率升、降负荷满功率升、降负荷续表工况号设计瞬态工况阶跃升、降负荷满功率甩负荷稳态波动 负荷调节 给水循环 堆芯寿期延长 给水加热器关闭 汽轮机冲转试验 非能动堆芯冷却系统调试 非能动预热排出系统试验 反应堆冷却剂系统补水 日常负荷跟踪 甩负荷 丧失厂外电源 低功率紧急停堆 满功率紧急停堆 落棒 专设安全设施误动作 低温超压 部分失流 R C S意外降压 给水流量过多图R C S的压力瞬态曲线F i g T h ep r e s s u r e t r a n s i e n t c u r v eo f t h eR C S 交变应力强度计算结果各设计瞬态工况的交变应力强度Sa列于表,表中未列出Sa MP a的瞬态工况,因其应力水平较低对疲劳寿命的影响可忽略.图R C S的温度瞬态曲线F i g T h e t e m p e r a t u r e t r a n s i e n t c u r v eo f t h eR C S表交变应力强度T a b l eT h ea l t e r n a t i n g s t r e s s i n t e n s i t y工况号设计瞬态工况Sa/MP a冷却剂主泵启动、停运 非能动堆芯冷却系统调试 非能动预热排出系统试验 丧失厂外电源 满功率紧急停堆 落棒 专设安全设施误动作 R C S意外降压 给水流量过多 疲劳损伤评定各设计瞬态工况的最大应力强度出现在套管圆弧过渡段,选择该位置进行疲劳强度评定.对表的瞬态工况进行两两配对,确定最严酷的配对组合,见表的工况一、工况二,计算各组合工况下的交变应力强度Sa i、实际循环次数ni、许用循环次数Ni、疲劳损伤系数Ui,以及累积疲劳损伤系数UUi ,疲劳强度满足要求.表疲劳损伤系数T a b l eT h e f a t i g u ed a m a g ec o e f f i c i e n t工况一工况二Sa i/MP aniNi/Ui/结论应用有限元方法对核级温度计套管进行抗震分析和疲劳分析,建立了温度计套管的力学分析模型,计算了结构的固有频率和各载荷工况下的应力强度,同时计算了各设计瞬态工况下的交变应力强度以及各配对组合工况下的疲劳损伤系数,并根据A S MEB P V C 及A S MEP T C TW规范进行结构应力评定和疲劳损伤评定,分析结果表明:核级温度计套管的结构设计满足规范要求.本文采用的分析方法对核电厂设备的抗震鉴定和疲劳安全评定有一定的参考价值.参考文献:T h e r m o w e l l sP e r f o r m a n c eT e s tC o d e s:A S M EP T C TW S孙吉人阶梯形温度计套管的工程应用设计方法J炼油技术与工程,():孔祥翠,张育玮,胡泊温度计套管性能研究J石油化工自动化,():冯邻江,王华,罗松,等基于F S I分析方法的温度计套管应力分析J自 动 化 技 术 与 应 用,():臧峰刚,刘文进反应堆冷却剂回路温度计套管流致振动分析J核动力工程,():黄磊温度计套管的频率限制J石油化工自动化,():王以懿化工装置中温度计套管频率限制的研究及计算J化工与医药工程,():林志勇温度计保护套管频率共振研究J仪器仪表用户,():D i v i s i o n S u b s e c t i o nN B,C l a s sC o m p o n e n t s:A S MEB P V C S 文静,房永刚,路燕,等核安全设备疲劳分析方法与步骤J原子能科学技术,():