安全壳管道贯穿件分析评定程序的开发

宋 煜 田振强 蔡 坤

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

安全壳管道贯穿件分析评定程序的开发

宋 煜 田振强 蔡 坤

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

核电站中存在着一类特殊的管道穿安全壳部件，即安全壳贯穿件。其分析方法与规范要求不同于管道分析。因而，针对CAP1000电站中带封头的安全壳贯穿件，需要一套方法和流程对其进行计算、分析和评定。本文以CAP1000带封头的机械贯穿件为研究对象，经分析、研究及对比，基于通用有限元软件ANSYS，以及轴对称模型非轴对称加载和既定的载荷组合策略完成计算，基于通用文档处理软件Excel完成评定，并且应用VB软件将整个计算和分析流程界面化，开发了一套针对带封头的机械贯穿件进行应力分析和疲劳分析的应用程序。本文中的分析评定方法和流程以及基于该方法而编写的程序准确、可靠，可极大地提高工作效率。

机械贯穿件，轴对称模型，非轴对称加载，应力评定，疲劳评

AP1000带封头的安全壳机械贯穿件为工艺管道穿过钢安全壳和屏蔽厂房的一种设备。带封头的安全壳机械贯穿件（简称贯穿件）通常作为工艺管道的固定点，并保证安全壳的密封性。早期我院安全壳贯穿件的评定通过上世纪90年代引进的程序PENNA[1]进行，由于计算机操作系统的更新换代，现已不适用，因而作者采用有限元软件ANSYS 11.0作为结构计算工具，并且开发了前、后处理程序，以按照ASME BPVC第III卷NE分卷和NC分卷的要求，对带封头的安全壳机械贯穿件进行应力评定和疲劳评定。且针对典型案例，将上述工具的结果与程序PENNA做了系统对比，论证了该工具完全可替代PENNA。为国产化以及后续项目中贯穿件的分析和评定提供了可靠的、适用的技术手段。

1 计算方法和评定准则

1.1贯穿件简介

本文以带封头的安全壳贯穿件为研究对象，该类贯穿件由封头、保护套管、钢安全壳套管构成，结构形式如图1。

图1 带封头的贯穿件Fig.1 Penetration with flued head.

1.2使用规范

依据带封头的安全壳机械贯穿件规范书[2]的规定，带封头的安全壳机械贯穿件的封头、封头与工艺管间焊缝按照ASME BPVC第III卷NC分卷[3]规定的方法和设计要求进行计算和评定；钢安全壳套管与封头间焊缝或保护套管与封头间焊缝、保护套管、钢安全壳套管与保护套管间焊缝按照ASME BPVC第III卷NE分卷[4]规定的方法和设计要求进行计算和评定。

所有焊缝均为全焊透，焊缝处均按照贯穿件部件的评定方法进行评定，封头与工艺管间焊缝无需进行评定，工艺管道满足评定要求则该焊缝满足评定要求。

疲劳评定根据ASME BPVC第III卷NE分卷[4]NE-3221.5进行。

1.3计算方法

1.3.1 应力计算

依据带封头的安全壳机械贯穿件规范书[2]中的规定，需考虑各个工况下对应的管道内压、安全壳内压，外部管道接管机械载荷以及热胀载荷。

由于外部接管载荷中剪力和弯矩的存在，本计算通过有限元软件ANSYS 11.0，采用轴对称模型非轴对称载荷(PLANE 25)的有限元方法进行应力计算。现阶段对于该计算方法的介绍信息较少，本文对该计算方法进行了详细的计算和对比工作，以验证该计算方法应用的可靠性。

其中，轴对称模型与ANSYS三维实体模型进行对比时，验证模型采用厚壁筒，一端固定一端加载，厚壁筒高2 m，外径0.8 m，壁厚0.1 m，加载端分别施加50 N的轴力与剪力，50 N/m的弯矩与扭矩，取如图2所示筒体高中间一排的节点，进行应力比较。

图2 三维模型与轴对称模型Fig.2 3D model and axisymmetric model.

表1与表2列出了两种模型在剪力与弯矩这两种非轴对称载荷作用情况下的应力对比情况，由于轴力与扭矩为轴对称载荷，两种模型误差较小，详细对比情况不在此列出。

ANSYS程序与PENNA程序对比时，验证模型采用完全相同尺寸的贯穿件模型和相同的网格划分。贯穿件末端固定，接管处的一侧施加单位载荷，如图3所示，对比了两种程序下各个单元的单元应力强度，本文仅列出图3中所示的4个单元的单元应力强度对比情况，由于程序PENNA只列出较大应力强度所在角度截面，因而本文均在这些应力强度较大的角度截面进行比较，应力强度对比情况如表3所示。

表1 三维模型与轴对称模型在剪力作用下的应力对比Table 1 Contrast of stress under shear force by 3D model and axisymmetric model.

表2 三维模型与轴对称模型在弯矩作用下的应力对比Table 2 Contrast of stress under bending moment by 3D model and axisymmetric model.

表3 ANSYS与PENNA单元应力强度对比Table 3 Contrast of element stress intensity calculated by ANSYS and PENNA.

表4总结列出了综合更多单元对比后PENNA模型与ANSYS模型单元应力强度平均计算误差的对比情况，以及轴力和扭矩这两种轴对称载荷作用下应力的计算误差对比情况。

表4 各应力计算对比误差Table 4 Stress deviation in different models.

另外，经计算对比发现，在如图2所示筒体结构的计算中，结构在分别承受剪力及弯矩时，轴对称模型计算出的0°截面上YZ及XZ向剪应力均为0，而三维模型均计算出了较小的应力值，因而轴对称模型非轴对称加载模型较ANSYS三维实体模型更接近理论解。由于采用几何轴对称模型，其计算量较三维实体模型大大降低，因而提高计算速率的同时，可以采用更加密集的网格划分，以提高计算精度。

在设计Level A、B、C、D和包括管道热胀的Level A/B工况下均施加设计压力，见图4。

图4 管道内压Fig.4 Pipe internal pressure.

在水压试验工况下施加1.25倍的设计压力。管内壁施加的径向压力Pradial为设计压力 Pdesign。压力产生的管道轴向压力Paxial施加在模型管道部分的两端，且按如下公式计算：

其中，RI为管道部分的内径；RO为管道部分的外径。

在设计Level C、D、水压试验下均沿与安全壳内空气接触的边界施加安全壳设计内压。

外部接管载荷（剪力、轴力、弯矩和扭矩）均沿坐标轴方向施加，以确保最大应力会发生在轴对称模型上与坐标轴呈0°、90°、180°和270°这4个角度的截面上，见图5。所有这4个角度的应力值均会被评定。

图5 载荷施加方式Fig.5 Loads apply way.

将管道分析得到的接管载荷加载到贯穿件左右两侧，包括剪力、轴力、弯矩和扭矩，这些载荷的方向组合必须保证包含所有评定路径中应力的最大值。

1.3.2 疲劳计算

疲劳计算中，根据设计瞬态进行瞬态应力分析，评定系统运行载荷对部件疲劳寿命的影响。瞬态应力分析包括各适用设计瞬态下的热分析和结构应力分析。

热分析中，贯穿件内壁的换热边界为对流换热，对流换热系数依据管道内流体与管道的对流换热计算公式，采用Matlab编辑的计算程序得到。

其计算公式如下：

其中，C为流体导热系数；R为流体雷诺数；P为流体普朗特数；ID为管道内径。

封头与安全壳套管（或保护套管）相连部分内壁考虑为与安全壳内部空气对流换热，封头与安全壳套管（或保护套管）相连部分外壁考虑为与安全壳外部对应厂房的空气对流换热。瞬态事件预期发生次数基于AP1000核电厂60年的设计寿命。

1.4评定方法

1.4.1 应力评定

带封头的安全壳机械贯穿件依据如图6所示的评定路径进行评定：

图6 评定路径Fig.6 Evaluation path.

各个评定路径采用等效线性化对各应力分量进行处理，对线性化后的膜应力强度和膜加弯应力强度分别进行评定。其中膜应力为沿壁厚的平均应力，需要注意的是，由于模型为几何轴对称模型，因而其膜应力与非几何轴对称模型有微小的不同。路径L1-L8（封头部分）依据ASME BPVC第III卷NC分卷[3]的要求进行评定，路径L9（钢安全壳套管与封头间焊缝）或路径L9（保护套管与封头间焊缝）-L10（钢安全壳套管与保护套管间焊缝）依据ASME BPVC第III卷NE分卷[4]的要求进行评定。由于评定路径，评定工况，两侧载荷组合的不同，使得需要评定的数据非常庞大，因而将评定公式编入Excel，计算结果导入Excel，由Excel完成评定。

疲劳的分析与评定依据ASME BPVC第III卷NE分卷[4]NE-3221.5规定的方法。采取如图7分析步骤对交变应力强度范围进行疲劳计算。

图7 ANSYS疲劳评定流程Fig.7 ANSYS fatigue evaluation process.

由瞬态应力分析得到的结构评定路径内外壁的应力值计算一次加二次交变应力强度范围，由程序从设计疲劳曲线上查取相应的许用循环次数Ni，将其与雨流法统计得到的该应力强度范围的循环次数ni相比较，计算使用因子ni/Ni。对各应力循环对应的使用因子进行累积，最终得到累积使用因子U，若U≤1，认为该部位不会发生疲劳破坏。

1.5程序界面优化

由于工程项目中，贯穿件数量众多，且大部分类型相似，为了提高工作效率，使得更多人更加容易地参与到评定工作中，在参数化建立ANSYS命令流文件的基础上，使用程序VB为整个建模和计算编辑了更加简单和友好的前处理界面，如图8所示。

图8 计算界面Fig.8 Calculating Panel.

在以上程序面板中依次输入各个参数后，生成计算的命令流文件，交由ANSYS计算，最终由Excel读入计算结果，即各个评定路径在各个工况下的膜和膜加弯应力强度，按照各个部件的评定要求，依据事先编入的评定公式，完成评定。

以上过程不仅简化了计算和评定工作，提高了工作效率，同时也大大降低了工作中出错的几率。

2 算例

本节以CAP-1000电站中CVS系统贯穿件P05为例，简单介绍计算和评定流程。依据该贯穿件图纸，将各个几何参数，各个部件的弹性模量和泊松比等材料参数，贯穿件的设计压力等设计参数依次输入图6计算界面的对应部分，将贯穿件两侧设计、正常、异常、紧急、事故和试验工况下的机械接管载荷以及正常和异常工况下的热胀接管载荷依次输入对应部分，交由ANSYS进行计算，在进行评定的Excel文件中依次输入设计温度下各部件的许用应力，许用应力强度，屈服强度和抗拉强度，导入ANSYS的应力计算结果，完成评定。由于计算结果较多，此处仅列出每种工况中，各个评定路径和端部接管载荷组合中应力比的最大值。评定结果见表5。

表5 贯穿件应力评定结果摘要Table 5 Penetration stress evaluation results summary.

在进行疲劳评定时，疲劳评定模型中，除了输入贯穿件的各几何参数外，还要输入贯穿件各部件材料随温度变化的弹性模量，热胀系数，泊松比，密度，比热和热传导系数以及对应材料的疲劳曲线。各部件在金属温度不超过370ºC时的设计疲劳曲线由ASME BPVC第III卷第I分卷所得。同时将相应专业提供的温度和压力瞬态信息，计算好的对流换热系数，以及对应的循环次数写入对应的瞬态信息文件和疲劳计算文件中，通过计算，得到最终结果。评定结果见表6。

该贯穿件P05-CVS-C01满足规范中规定的各个要求。

表6 贯穿件疲劳评定结果摘要Table 6 Penetration fatigue evaluation results summary.

3 结语

本文以CAP1000带封头的安全壳机械贯穿件为研究对象，采用有限元软件ANSYS 11.0，按照ASME BPVC第III卷NC分卷[3]和NE分卷[4]的要求，对带封头的安全壳机械贯穿件进行应力分析和疲劳分析，并将整体流程程序化。本文结果为国产化以及后续项目中贯穿件的分析和评定提供必要的技术方法。其参数化的建模方式为大批量，正确分析工程中的贯穿件提供便捷。

1 Penetration stress analysis program-penna user manual[Z], 1993

2 江娉婷. 带封头的安全壳机械贯穿件规范书[Z]. 上海:上海核工程研究设计院, 2011 JIANG Pinting. Containment penetration with flued heads design specification[Z]. Shanghai: Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2011

3 ASME boiler and pressure vessel code, Section III, Rules for Construction of Nuclear Facility Components[S]. 2007 Edition, 2007, NC: 40–73

4 ASME boiler and pressure vessel code, Section III, Rules for Construction of Nuclear Facility Components[S]. 2007 Edition, 2007, NE: 43–61

Analysis program for SCV penetration

SONG Yu TIAN Zhenqiang CAI Kun
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Steel Containment Vessel (SCV) penetrations are special parts in nuclear plant. The analysis method and acceptance criteria of SCV penetration are different from piping. The analysis method and acceptance criteria for SCV penetration of CAP1000 plant are required. Purpose: To set the analysis method and acceptance criteria for SCV penetration. And base on these calculation and evaluation method, make a program for the penetration calculation and evaluation that is automatic, rapid and easy to use. Methods: The development of this program is based on the research and contrast. The axisymmetric penetration model with nonaxisymmetric loading is established in this program. The two sides loads combination of penetration is considered in this program. The stress is calculated by ANSYS 11.0; preprocess is developed by VB and post-process is done by Excel. Results: The analysis method and acceptance criteria of SCV penetration are established, and a program for the penetration calculation and evaluation is developed which is automatic, rapid and easy to use. Conclusions: The analysis method and acceptance criteria of SCV penetration and the program for the penetration calculation and evaluation in this paper are reliable. By this program, the high speed and accurate penetration analysis will be expected.

Penetration, Axisymmetric model, Nonaxisymmetric loading, Stress analysis, Fatigue analysis

O342

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040660

宋煜，男，1982年出生，2009年于上海交通大学固体力学专业获硕士学位，现从事核电设计的力学分析工作

2012-10-20，

2012-11-30

CLC O342