反应堆压力容器接管边缘应力区局部减薄处应力强度特征.pdf

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1、第2 9 卷 2OO8 第2 期 年4 月 核动力工程 N u c l e a rP o w e rE n g i n e e r i n g V b l 2 9 N O 2 A p r 2008 文章编号：0 2 5 8 - 0 9 2 6 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 5 2 - 0 4 反应堆压力容器接管边缘应力区局部 减薄处应力强度特征 王小彬，米小琴，魏亚东，杨敏，陈海波 ( 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室。成都，6 1 0 0 4 1 ) 摘要：用A N S Y S 有限元分析软件对反应堆压力容器接管边缘应力区应力强度进行了模拟分析。给出了 接管

2、边缘应力区简体的薄膜应力强度、薄膜+ 弯曲应力强度以及减薄区应力集中系数随减薄区尺寸大小及其 位置等因素的变化规律。分析得出：最大薄膜应力强度随着减薄区长半轴的增大呈外凸形增大，随着减薄区 深度的增大呈直线形增大，随着减薄区离不连续区距离的增大呈内凹形减小；最大薄膜+ 弯曲应力强度随着 减薄区长半轴的增大基本保持不变，随着减薄区深度的增大呈直线形增大，随着减薄区离不连续区距离的增 大呈内凹形减小；应力集中系数随着减薄区长半轴的增大呈内凹形减小，随着减薄区深度的增大呈直线形增 大。随着减薄区离不连续区距离的增大呈内凹形减小。 关键词：反应堆；压力容器；接管；边缘应力区；局部减薄；应力强度 中图分

3、类号：T L 3 5文献标识码：A 1 引言 ， 2 0 世纪7 0 年代初，美国、加拿大、澳大利 亚、德国和英国等国都已制定了局部减薄的评定 规范，如美国的A S M E A N S IB 3 l G 、英国的 B S I P D 6 4 9 3 19 9 5 草案附录F 、加拿大的C S A Z 1 8 4 - M 8 6 、澳大利亚的澳标A S 3 7 8 8 1 9 9 0 附录N 。 我国由于缺乏系统的理论分析和充足的实验数 据，目前还没有制定局部减薄规范。2 0 世纪8 0 年代以来，世界上有不少学者进行了开孔接管问 题有限元解的研究工作。美国的W i d e r a 与英国的 M

4、 o f f a t 等人在其各自压力容器组织的支持下，用 有限元解与实验相结合的办法对用有限元法研究 开孔接管问题作了有益的尝试I l 2 1 。 本文用有限元软件在接管边缘应力区内外 表面分别建立8 0 种不同参数情况下的椭球缺陷， 分析在椭球缺陷中心深度方向上的薄膜应力强 度、薄膜+ 弯曲应力强度及应力集中系数的变化 规律。 2 计算模型 考虑到几何与边界条件的对称性，取模型的 收稿日期：2 0 0 7 - 0 3 3 0 ；修回日期：2 0 0 7 - 0 8 - 0 2 的1 4 进行分析。本文计算的反应堆压力容器模 型如图l a 所示，内径为18 0 0m m ，壁厚为3 0m i

5、 l l ， 材料为5 0 8 - I I I 钢。 参照通用的做法，本文利用一个椭球缺来模 拟减薄区的形状特征，以椭球缺的长轴模拟减薄 区的长度，以短轴模拟减薄区的宽度，以深度模 拟减薄区的深度。工程实际中的减薄区域其四周 边缘不允许出现曲率突变的尖锐棱角，尖锐棱角 部位会导致减薄区产生应力集中现象，严重时将 导致容器或管道的疲劳破坏，引发安全事故。本 文为了最大程度地模拟实际工程中减薄区的结构 形状特征，在建模时严格控制了椭球缺边缘处的 斜率，使其不大于l 3 ，模拟的椭球缺尺寸参见表 1 。本文仅对椭球缺长半轴与容器轴线一致和垂直 的两种极限状态进行分析。 表1 椭球缺陷尺寸m 椭球缺陷

6、尺寸 A r a m2 8 3 54 2 4 95 66 37 0 B m m1 41 82 22 52 93 23 6 h m m4 56 789l O 注： 长半轴；争瓴半轴；肛- 深度 万方数据 王小彬等：反应堆压力容器接管边缘应力区局部减薄处应力强度特征 5 3 椭球缺陷的位置尺寸D 是指椭球缺中心距接 管外表面之间的距离。由边缘应力影响区范围公 式可知，本文中简体边缘应力区范围约为0 2 5 船，即0 3 5 2m m 。其中，R 为筒体内半 径，S 为简体平均壁厚。 考虑到前面假设的椭球缺陷的最大长半轴 为7 0m t n ，因此，椭球缺陷的位置尺寸D 取以 下8 组数据：8 0

7、、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 、2 0 0 、2 4 0 、 2 8 0m l n 使其具有普遍的代表性。采取共计8 0 种 计算模型进行分析。 为了提高计算精度，本文对除椭球缺以外的 绝大部分区域采用映射网格划分方法( 图1 ) 。 考虑到中间两截面的对称性，对此平面施加 了对称约束。考虑到筒体轴向及接管轴向的变形 特性，对此截面施加一等效拉应力，对于容器与 接管的所有内表面施加设计压力，然后提取任一 节点施加一个虚约束。采用如此边界处理后，既 限制了模型的刚体位移，又使变形接近实际。 3 计算结果及分析 由于本文研究的椭球缺陷位于简体的边缘应 芒2 4 羔 o i

8、2 2 - 内表面轴向致 内表面轴向垂直 外表面轴向致 T 外表面轴向垂直 日2 9 山 = 22 6 b 2 3 图1 计算模型及网格划分 F i g 1 C a l c u l a t i o nM o d e la n dM e s h 力区，边缘附加应力会对椭球缺陷附近的应力分 布产生较大的影响，使得椭球缺陷处的受力情况 更加复杂。因此，不能忽视弯矩与拉伸作用对简 体承载能力的影响。所以，除了分析薄膜应力强 度与应力集中系数以外，还需要对薄膜+ 弯曲应 力强度进行分析研究。 各种参数组合下的结果如图2 4 所示。 从图2 一图4 可以看出： - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴

9、向一致 v 外表面轴向垂直 2 5 山 = b2 0 b 1 5 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴向一致 T 外表面轴向垂直 2 o I ! 匕! = = = ：。匕= 二= 蛐I 。一 2 53 5 4 5 5 56 546 81 07 5 1 2 51 7 52 2 52 7 5 A m mC m m D m m a 最大薄膜应力强度随A 的变化情况b 最大薄膜应力强度随C 的变化情况 c 最大薄膜应力强度随D 的变化情况 图2 最大薄膜应力强度随各参数的变化情况 F i g 2 M e m b r a n eS t r e s sI n t e n s i t yv s S

10、e v e r a lP a r a m e t e r 4 6 5 4 0 5 a _ = 3 4 5 龟 2 8 5 2 2 5 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴向一致 T 外表面轴向垂直 6 5 ； 鼍4 2 53 5 4 5 5 56 5 A r a m a 最大薄膜+ 弯曲应力强度随彳的 变化情况 2 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴向一致 T 外表面轴向垂直 46 81 0 C m m b 最大薄膜+ 弯曲应力强度随C 的 变化情况 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴向一致 T 外表面轴向垂直 7 51 2 51 7 52 2 52 7 5 D m

11、 m c 最大薄膜+ 弯曲应力强度随D 的 变化情况 图3 最大薄膜+ 弯曲应力强度随各参数的变化情况 F i g 3 M e m b r a n eS t r e s sP l u st h eB e n d i n gS t r e s sI n t e n s i t yV s S e v e r a lP a r a m e t e r 5 4 3 2 厶至。o_l，D 万方数据 核动力工程V r 0 1 2 9 N o 2 2 0 0 8 3 3 2 9 2 5 2 。1 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 2 5 3 5 4 55 56 5 A m m a 应力集中系数随A 的变化

12、情况 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴向一致 V 外表面轴向垂直 4 05 57 08 51 0 C m m b 应力集中系数随C 的变化情况 4 7 5 4 0 0 吣3 2 5 2 5 0 1 7 5 - 内表面轴向一致 内表面轴向垂直 外表面轴向一致 T 外表面轴向垂直 7 51 2 51 7 52 2 52 7 5 D m m c 应力集中系数随D 的变化情况 图4 应力集中系数随各参数的变化情况 F i g 4 S t r e s sC o n c e n t r a t i o nF a c t o rV S S e v e r a lP a r a m e t e r

13、 ( 1 ) 最大薄膜应力强度随着椭球缺长半轴尺 寸彳的增大呈外凸形增大，随着椭球缺深度尺寸 h 的增大呈直线形增大，随着椭球缺位置尺寸D 的增大呈内凹形减小。 ( 2 ) 最大薄膜+ 弯曲应力强度随着椭球缺长 半轴尺寸彳的增大基本保持不变，随着椭球缺深 度尺寸h 的增大呈直线形增大，随着椭球缺位置 尺寸D 的增大呈内凹形减小。 ( 3 ) 应力集中系数随着椭球缺长半轴尺寸彳 的增大呈内凹形减小，随着椭球缺深度尺寸h 的 增大呈直线形增大，随着椭球缺位置尺寸D 的增 大呈内凹形减小。 以上分析表明了接近结构不连续区，边缘附 加应力的影响会急剧增加甚至成为影响结构强度 的第一因素，应该引起足够的

14、重视。 4 结论 ( 1 ) 随着椭球缺陷长半轴彳的增大，各应力强 度趋于定值。在工程实践中，在一次薄膜应力强 度满足要求的情况下应尽量将缺陷打磨得越平缓 越好，减小应力集中，以延长使用寿命。 ( 2 ) 随着椭球缺陷深度c 的增大，各应力强度 呈直线增大。在工程实践中，一定要注意缺陷的 打磨深度，越浅越好。 ( 3 ) 随着椭球缺陷位置尺寸D 的增大，各应 力强度减小而趋于一定值。故在工程实践中，若 缺陷处于2 5 R s 之外，可不考虑边缘附加应力 的影响，若缺陷靠近不连续区，应对此减薄缺陷 进行细致的研究分析，选择合理的模型，对减薄 区进行局部细化和重点分析，使评定结果更趋实 际。 参考

15、文献： 【1 】S a n gZF ，L iL ，W i d e r aGEO L o c a lS t r e s si nC y l i n d r i - c a lV e s s e l sD u et oM o m e n to nt h eN o z z l e J I n t e r n a - t i o n a lC o n f e r e n c eo nP r e s s u r eV e s S c lT e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ， 2 ：9 7 1 0 8 2 1M o f t tDG ，M w e n i f u m b o wJAM

16、e ta 1 E 饪b c t i r eS t r e s s F a c t o r sP i p i n gB r a n c hJ u n c t i o n sD u et oI n t e m a lP r e s s u r e a n dE x t e r n a lM o m e n tL o a d s f 1 J o fS t r a i nA n a l y s i s 。 1 9 9 1 ，2 6 ( 2 ) ：8 5 1 0 1 R e s e a r c hO nS t r e s sIn t e n s i t yl nE d g eS t r e s sF i

17、 e l do fR P VN o z z l e W A N GX i a o b i n ，M IX i a o q i n ，W E IY a - d o n g ，Y A N GM i n ，C H E N GH a i b o ( N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yo f R e a c t o rS y s t e mD e s i g nT e c h n o l o g y , N u c l e a rP o w e rI n s t i t u t eo f C h i n a , C h e n g d u ，6 1 0 0 4

18、 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h es t r e s si n t e n s i t y o fR e a c t o rP r e s s u r eV e s s e ll o c a lw a l l t h i n n i n ga r e ai sc a l c u l a t e di nt h e e d g es t r e s sf i e l do fn o z z l eb yA N S Y S aF Es o f t w a r e A n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf

19、 a c t o r ，t h em e m b r a n es t r e s s i n t e n s i t ya n dt h em e m b r a n es t r e s sp l u st h eb e n d i n gs t r e s si n t e n s i t yV St h ed i m e n s i o na n dl o c a t i o no f p a r t - t h r o u g hs l o th a v eb e e nd i s c u s s e d I nt h i sa r t i c l ew eg e n e r a l

20、 i z e dt h a tt h em e m b r a n es t r e s si n t e n s i t yi si n - t e n s i f y i n gb yl o n gh a l fa x i si na ne x t e r n a lc o n v e x i t yc u r v e ，i n t e n s i f y i n gb yd e p t hi nas t r a i g h tl i n e ，w e a k e n i n g ( 下转第6 9 页) 6 5 4 3 2 。 万方数据 叶林等：反应堆重水系统管道安装 P i p i n

21、gIn s t a l l a t i o nf o rR e a c t o rH e a v y W a t e r S y s t e m Y EL i n ，H U A N GH o n g - w e n , X U X i a n - q i ，Q I A ND a z h i ，Z H O UW e i ( I n s t i t u t e o f N u d m r P h y s i 铬m dc t 嘲咖嘶A 碰l e l y o f B l g i r 髓面g 确蚵溉M h 懈S i c h u m , 6 2 1 9 0 0 , O a i m ) A b s t 阳c

22、 t ：C h a r a c t e r i s t i c sa n dm a i ni n s t a l l a t i o ns t e l o sf o rt h ep i p i n go ft h er e a c t o rh e a v yw a t e rl o o ps y s t e mw e r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r A c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n , e q u i p m e n ta c c o m m o d a t i o na n

23、ds p o tI I l a n a g e m e n Lm a i n i S S U e Sw i t he f f e c to nt h eq u a l i t ya n ds c h e d u l eo fp i p e l i n ei n s t a l l a t i o nw e r ea n a l y z e d A c c o r d i n g l y , s o m es o l u t i o n s W e r ep u tf o r w a r d , w h i c hi n c l u d e d ：w o r ka l l o c a t i o

24、 ns h o u l db em a d ec l e a ri nd o c u m e n t s ；i n s t a l l a t i o np r e p a r a t i v es u c h a sd e s i g nc h e c k u pa n dt e c h n o l o g yc o m m u n i c a t i o ns h o u l db ep r e p a r e dc o m p l e t e l y ；r e q u i r e m e n t so fs y s t e mc l e a n i n g , t e s ti t e

25、r n si ne v e r ye x p e r i m e n t , i n s p e c t i o ni nw o r ka n de q u i p m e n tm a i n t e n a n c es h o u l db ec o n s i d e r e di nt h es y s t e m d e s i g n ；p e r f e c td o c u m e n t sd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n ds t o c kp l a ns h o u l db eb u i I t ；t e c h n o l

26、 o g yr e q u i r e m e n t sa n dq u a l i W a s s u r a l l c es h o u l db ec l a i m e di nc o n t r a c t s ；q u a l i t ys h o u l db ec o n t r o l l e db yw a yo fe x t e m a le v i d e n c e ，i n s p e c t i o ni n m a n u f a c t o r y , e x t e r i o rq u a l i t y a s s u r a n c ee x a

27、m i n a t i o n , a n dt e s td u r i n gc o n s i g n m e n t ；s e r i e so fm a n a g e m e n tp r o c e d u r e s h o u l db ee s t a b l i s h e di nd e t a i l K e yw o r d s ：R e a c t o r , H e a v yw a t e rs y s t e m ，P i p i n gi n s t a l l a t i o n , M a n a g e m e n t 作者简介： 叶林( 1 9 r

28、 7 s - _ ) ，男，工程师。1 9 9 8 年毕业于西安交通大学核能科学与工程专业，获学士学位。现从事反应堆物理、 热工和反应堆运行等工作。 黄洪文( 1 9 7 5 ) ，男，工程师。1 9 9 8 年毕业于上海交通大学核能科学与工程专业，获学士学位。现从事反应堆物理、 热工和反应堆运行等工作。 徐显启( 1 9 5 3 _ _ ) ，男，副研究员。1 9 7 9 年毕业于上海交通大学反应堆工程专业，获学士学位。长期从事反应堆物理、 热工和反应堆运行等相关工作。 ( 责任编辑：尚作燕) ( 上接第5 4 页) b yd i s t a l l c ei na ni n n e rc

29、o n c a v eC 1 H V e ，a n dt h em e m b r a n e s t r e s sp l u st h eb e n d i n gs t r e s si n t e n s i t yi sr i oc h a n g i n gb y l o n gh a l f a x i sn e a r l y , i n t e n s i f y i n gb yd e p t hi nas t r a i g h tl i n e ，w e a k e n i n gb yd i s t a n c ei na ni n n e rc o n c a v

30、ec u r v e ，a n d t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ri sm i n i s h i n gb yl o n gh a l f a x i si na ni n n e rc o n c a v ec u r v c , a u g m e n t i n gb yd e p t hi na s t r a i g h tl i n em i n i s h i n gb yd i s t a n c ei na ni n n e rc o n c a v ec u r v e K e yw o r d s

31、 ：R e a c t o r , P r e s s u r ev e s s e l ，N o z z l e , E d g es t r e s sf i e l d , L o c a lw a n - t h i n n i n g , S t r e s si n t e n s i t y 作者简介： ：F q C F ( 1 9 8 2 _ _ ) ，男，助理工程师。2 0 0 5 年毕业于天津大学过程装备与控制工程系。现从事反应堆压力容器结构设计 及研究工作。 米小琴( 1 9 7 0 _ ) ，女，高级工程师。1 9 9 2 年毕业于华东化工学院化工机械专业。现从事反应堆结构设计及研究工作。 魏亚东( 1 9 7 1 - - ) ，男，高级工程师，1 9 9 3 年毕业于南京化工学院化工机械与设备专业。现从事反应堆压力容器结构设 计及研究工作。 ( 责任编辑：孙华平) 万方数据