鄭罡，孫培棟，彭翊，謝凱，李玉全，陳耀東

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微壓供熱堆壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

鄭罡，孫培棟，彭翊，謝凱，李玉全，陳耀東

（國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

對(duì)微壓供熱堆HAPPY200的壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析。針對(duì)HAPPY200的特點(diǎn)，滿足堆工、熱工等專業(yè)要求，完成此微壓供熱堆堆本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范（ASME B&PVC規(guī)范）進(jìn)行壓力容器的力學(xué)計(jì)算校核。微壓供熱堆HAPPY200采用池殼結(jié)合的方式，反應(yīng)堆200 MW熱功率兩回路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，出口溫度120 ℃。壓力容器采用不銹鋼材質(zhì)、35 mm壁厚的設(shè)計(jì)，采用ASME B&PVC規(guī)范對(duì)其進(jìn)行力學(xué)計(jì)算校核。此結(jié)構(gòu)中所得到的力學(xué)結(jié)果均小于ASME B&PVC標(biāo)準(zhǔn)所要求的限值。微壓供熱堆HAPPY200的壓力容器設(shè)計(jì)滿足堆工、熱工等專業(yè)要求，其力學(xué)評(píng)定通過ASME B&PVC規(guī)范要求。

核供熱；微壓供熱堆；ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范；力學(xué)分析；壓力容器

近年來，由燃煤引發(fā)的霧霾等環(huán)境問題成為公眾和政府面臨的首要難題。隨著未來城市化規(guī)模的持續(xù)發(fā)展，我國的集中供熱面積還將繼續(xù)增加，使得由燃煤供熱帶來的環(huán)境問題變得愈發(fā)嚴(yán)峻[1-2]。國際上對(duì)燃煤排放的關(guān)注也持續(xù)升溫，在2014年的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中，中國首次從官方層面上承諾將在2030年左右實(shí)現(xiàn)碳排放總量的降低。因此，積極探索穩(wěn)定可靠的清潔能源以替代燃煤供熱是解決環(huán)境問題的最佳途徑。核能作為一種清潔能源，在減少化石能源消耗以及污染物排放等方面的優(yōu)勢十分顯著。因此，“以核代煤”實(shí)現(xiàn)城市供熱，是減少碳排放、降低環(huán)境污染的有效措施之一[3-4]。國家電投中央研究院于2015年啟動(dòng)了微壓供熱堆HAPPY200（Heating-reactor of Advanced low-Pressurized and Passive Safety System）的概念設(shè)計(jì)工作，遵循集成成熟技術(shù)、完全非能動(dòng)安全和高經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)理念，以滿足未來市場的競爭需求。文中介紹了供熱堆堆本體的設(shè)計(jì)，并按照ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范（ASME B&PVC）的要求，對(duì)壓力容器進(jìn)行力學(xué)分析及評(píng)價(jià)。

1 微壓供熱堆HAPPY200的介紹

國家電投中央研究院于2015年啟動(dòng)了微壓供熱堆HAPPY200（Heating-reactor of Advanced low- Pressurized and Passive Safety System）的概念設(shè)計(jì)工作，遵循集成成熟技術(shù)、非能動(dòng)安全和高經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)理念，以滿足未來市場的競爭需求。

微壓供熱堆HAPPY200采用了微加壓閉式回路、低熱工參數(shù)的總體技術(shù)方案。HAPPY200的供熱原理如圖1所示，系統(tǒng)采用微壓核反應(yīng)堆作為熱源，采用200 MW熱功率的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，供熱系統(tǒng)通過三個(gè)換熱回路將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量輸送到城市附近的供熱站，以實(shí)現(xiàn)城市供熱。三個(gè)回路包括：反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)（一回路）、中間換熱回路（二回路）以及三回路市政供熱管網(wǎng)。與常規(guī)供熱管網(wǎng)不同，核供熱管網(wǎng)在一回路（反應(yīng)堆回路）與市政供熱管網(wǎng)間增設(shè)了一個(gè)壓力稍高的中間回路，作為阻斷放射性物質(zhì)泄露的防御屏障，以確保居民的用熱安全。

圖1 微壓供熱堆HAPPY200供熱原理

如圖2所示，HAPPY200堆本體置于一個(gè)大容積水池底部（地下），池水水深在15 m左右，安全系統(tǒng)基于大容積水池技術(shù)，具備非能動(dòng)安全特性。反應(yīng)堆水池是應(yīng)對(duì)事故工況的重要熱阱，一回路熱量首先進(jìn)入到反應(yīng)堆水池并依賴于反應(yīng)堆水池的冷卻，反應(yīng)堆水池逐漸升溫。非能動(dòng)池水空冷系統(tǒng)通過運(yùn)行于池水中的冷卻器和外置的空冷器，依靠自然循環(huán)將反應(yīng)堆水池?zé)崃枯d出安全殼，將反應(yīng)堆水池維持在一定溫度下。該系統(tǒng)以安全殼外大氣為最終熱阱，不依賴于噴淋水等臨時(shí)水源，實(shí)現(xiàn)了堆芯余熱的無時(shí)限的熱量載出。

圖2 HAPPY200系統(tǒng)

HAPPY200的總體技術(shù)參數(shù)是在考慮了匹配大型城市熱網(wǎng)需求以及滿足遠(yuǎn)距離輸熱等系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案分析確定的。一回路供回水溫度為120 ℃和80 ℃（運(yùn)行壓力為0.6 MPa），中間回路的供回水溫度為115 ℃和67 ℃（運(yùn)行壓力為0.8 MPa），三回路市政供熱管網(wǎng)供回水溫度為110 ℃和50 ℃（運(yùn)行壓力為0.6 MPa）。微壓供熱堆HAPPY200的主要參數(shù)見表1。單堆可提供3×106GJ的年供熱量，滿足5×106~7×106m2的供熱需求。

表1 HAPPY200主要技術(shù)參數(shù)

HAPPY200為兩環(huán)路設(shè)計(jì)，反應(yīng)堆壓力容器布置至于池水底部。為減小主回路系統(tǒng)熱損失，同時(shí)為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隔離水環(huán)境，在壓力容器外布置有防水套筒。一體化堆頂固定于RPV底部支座。HAPPY200堆本體的效果如圖3所示，反應(yīng)堆堆本體包括壓力容器及堆內(nèi)構(gòu)件。其中壓力容器包括上封頭、下封頭、下接管段、筒體、上接管段等。上封頭上有用于支承一體化堆頂?shù)闹巫坝糜趬毫θ萜鞯跹b的吊耳。

圖3 HAPPY200堆本體效果

對(duì)于上封頭的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa。如采用球形封頭，則僅需很薄的壁厚即可滿足此承壓要求。同時(shí)，考慮到上封頭貫穿件的安裝要求，必須要有足夠的壁厚來對(duì)貫穿件進(jìn)行支撐，同時(shí)由于平封頭的加工制造成本更低，所以此壓力容器封頭采用平封頭設(shè)計(jì)。壓力容器基本尺寸如圖4所示，其中平封頭壁厚135 mm，筒體壁厚35 mm。壓力容器屬于核安全1級(jí)、抗震I類，文中按照ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范（ASME B&PVC）第III卷的要求，對(duì)HAPPY200壓力容器的主要部件（包括筒體、上下封頭、進(jìn)水接管）進(jìn)行應(yīng)力分析和評(píng)價(jià)[5-7]。

圖4 壓力容器基本尺寸

2 應(yīng)力分析與評(píng)價(jià)

2.1 選材

HAPPY200壓力容器設(shè)計(jì)壓力低（1.6 MPa），因此其壁厚較之壓水堆的壓力容器明顯減薄。壓水堆壓力容器采用低合金鋼內(nèi)壁堆焊不銹鋼作為防蝕層，HAPPY200壓力容器的設(shè)計(jì)壁厚為35 mm。此壁厚較薄，不適用內(nèi)壁堆焊不銹鋼的工藝。HAPPY200壓力容器設(shè)計(jì)采用SA-182 F316LN，其材料屬性見表2。

表2 設(shè)計(jì)工況（160 ℃）下壓力容器的材料屬性

2.2 載荷組合

ASME B&PVC壓力容器設(shè)計(jì)工況中需考慮的載荷組合為：內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力+自重+外部機(jī)械載荷，現(xiàn)初步設(shè)計(jì)中僅考慮了設(shè)計(jì)內(nèi)壓和自重。

2.3 有限元模型

根據(jù)壓力容器模型的特點(diǎn)，將其分成二維整體模型和局部三維模型。二維整體模型主要作用是評(píng)價(jià)壓力容器殼體的力學(xué)性質(zhì)，局部三維模型用于評(píng)價(jià)接管處的力學(xué)性質(zhì)。

壓力容器整體構(gòu)造較為規(guī)整，因此可以將其簡化為軸對(duì)稱二維模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于接管處將會(huì)在局部建模中進(jìn)行驗(yàn)證。二維整體模型如圖5所示。網(wǎng)格包括有15 241個(gè)節(jié)點(diǎn)和4578個(gè)單元。對(duì)該模型進(jìn)行軸對(duì)稱約束，在底部支撐位置進(jìn)行軸向的約束。

圖5 壓力容器的整體二維模型

針對(duì)進(jìn)水接管的評(píng)價(jià)，建立了如圖6所示的局部三維模型，對(duì)模型邊界進(jìn)行全自由度的約束。因模型所關(guān)注的位置為接管處，所以此遠(yuǎn)端邊界的全自由度約束是適用的。網(wǎng)格包括266 824節(jié)點(diǎn)和156 356個(gè)單元。

圖6 進(jìn)水接管局部三維模型網(wǎng)格劃分

2.4 應(yīng)力分析結(jié)果

殼體在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力如圖7所示，應(yīng)力最大值發(fā)生在下封頭過渡段。進(jìn)水接管在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力如圖8所示，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在管嘴根部。發(fā)生最大應(yīng)力的位置主要位于路徑9—12，參考路徑10結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的評(píng)價(jià)方法，符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖7 上封頭、下封頭和筒體中的應(yīng)力分布

圖8 進(jìn)水接管應(yīng)力

2.5 應(yīng)力評(píng)價(jià)限值

壓力容器主體部位的應(yīng)力限值（表3）參見《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅲ卷第一冊(cè)NB分卷一級(jí)部件NB-3226[7]。

表3 應(yīng)力限值

注：m為許用應(yīng)力強(qiáng)度；m為總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；l為局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度；b為彎曲應(yīng)力強(qiáng)度

總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度是由設(shè)計(jì)內(nèi)壓和其他規(guī)定的設(shè)計(jì)機(jī)械載荷引起的總體一次應(yīng)力沿其截面厚度的平均值推導(dǎo)而得，但不包括所有二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。在確定應(yīng)力強(qiáng)度值之前，先對(duì)應(yīng)力分量取平均值。此應(yīng)力強(qiáng)度的許用值為在設(shè)計(jì)溫度下的m。

局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度是由設(shè)計(jì)壓力和規(guī)定的設(shè)計(jì)機(jī)械載荷引起的局部一次應(yīng)力沿其截面厚度的平均值推導(dǎo)而得，但不包括所有的熱應(yīng)力和峰值應(yīng)力。在確定應(yīng)力強(qiáng)度值之前先對(duì)應(yīng)力分量取平均值。此應(yīng)力強(qiáng)度的許用值為1.5m。

一次薄膜（總體或局部的）加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度是由設(shè)計(jì)壓力和其他規(guī)定的設(shè)計(jì)機(jī)械載荷引起的總體或局部一次薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力沿其截面厚度上的最大值推導(dǎo)而得，但不包括所有的二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

2.6 應(yīng)力評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)壓力容器的力學(xué)性質(zhì)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)選取的路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化。對(duì)殼體選取路徑如圖9所示，另外選取路徑7沿筒體中部厚度方向。殼體路徑1、2、6、7、8、13、14可認(rèn)為處于結(jié)構(gòu)連續(xù)處，其應(yīng)力線性化所得的薄膜應(yīng)力都應(yīng)歸為總體薄膜應(yīng)力，所得彎曲應(yīng)力都?xì)w為一次彎曲應(yīng)力。其余路徑都處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，所得的薄膜應(yīng)力都應(yīng)歸為局部薄膜應(yīng)力，得到的彎曲應(yīng)力都?xì)w為二次應(yīng)力。對(duì)殼體的14條路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，可得到在設(shè)計(jì)工況下各路徑的應(yīng)力線性化結(jié)果，見表4。最大總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為80.95 MPa，位于沿著下封頭中部的路徑14，其值低于m（138 MPa）標(biāo)準(zhǔn)。最大總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加上彎曲應(yīng)力強(qiáng)度為102.77 MPa，也位于路徑14，該值低于1.5m（207 MPa）的標(biāo)準(zhǔn)。最大局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為91.05 MPa，位于下封頭過渡段的路徑10，其值也低于1.5m（207 MPa）標(biāo)準(zhǔn)。最大局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加上彎曲應(yīng)力強(qiáng)度為147.81 MPa，也位于路徑10，該值低于3m（414MPa）的標(biāo)準(zhǔn)。所有應(yīng)力分布符合ASME B＆PVC第三卷的要求。

圖9 壓力容器殼體應(yīng)力線性化路徑（路徑7位于筒體的中間點(diǎn)）

表4 殼體應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)

對(duì)進(jìn)水接管選取應(yīng)力線性化路徑，如圖10所示，所選路徑都處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，所得的薄膜應(yīng)力都應(yīng)歸為局部薄膜應(yīng)力，所得彎曲應(yīng)力都?xì)w為二次應(yīng)力。對(duì)接管的五條路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，可得到設(shè)計(jì)工況下各路徑的應(yīng)力線性化結(jié)果，見表5。最大局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為45.56 MPa，位于接管根部的路徑2，其值低于1.5m標(biāo)準(zhǔn)。最大局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加上彎曲應(yīng)力強(qiáng)度為71.62 MPa，也位于路徑2，該值低于3m的標(biāo)準(zhǔn)。所有應(yīng)力分布符合ASME B＆PVC第三卷的要求。

圖10 進(jìn)水接管應(yīng)力線性化路徑

3 結(jié)論

文中介紹了國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院自主研發(fā)的微壓供熱堆HAPPY200的概念設(shè)計(jì)工作，滿足堆工、熱工等專業(yè)要求，完成了此微壓供熱堆堆本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范（ASME B&PVC規(guī)范）進(jìn)行壓力容器的力學(xué)計(jì)算校核。結(jié)果表明，壓力容器應(yīng)力分析結(jié)果完全符合ASME B&PVC規(guī)范要求。

表5 進(jìn)水接管應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)

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Pressure Vessel Design and Analysis of Heating-reactor of Advanced Low-pressurized and Passive Safety System

ZHENG Gang, SUN Pei-dong, PENG Yi, XIE Kai, LI Yu-quan, CHEN Yao-dong

(State Power Investment Corporation Research Institute, Beijing 102209)

To conduct pressure vessel design and analysis based on the heating-reactor, named Heating-reactor of Advanced low-Pressurized and Passive Safety system (HAPPY).The design followed the design philosophy of integrating developed technologies, passive safety and high economic efficiency. According to the characteristics of HAPPY200, the pressure vessel design was conducted based on the requirements on reactor physics, thermal hydraulics and etc. The pressure vessel design was evaluated by the ASME Boiler and Pressure Vessel Code (ASME B&PVC). It was a 200MWth two-loop low-pressurized water reactor with low thermal parameters. The whole reactor vessel was deployed inside a shielding and cooling pool with thermal insulation measure. The design temperature and pressure were 120 ℃ and 1.6 MPa. Stainless steel was adopted for the pressure vessel and the thickness was 35 mm.The result obtained from the structure was smaller than the limit required in ASME B&PVC criteria.The pressure vessel design of HAPPY200 fills the requirements from reactor physics, thermal hydraulics and etc. The stress analysis of the pressure vessel also meets the ASME B&PVC criteria.

heating-reactor; heating-reactor of advanced low-pressurized and passive safety system (HAPPY); ASME B&PVC; stress analysis; pressure vessel

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.001

TL353

A

1672-9242(2019)02-0001-06

2018-12-17；

2019-01-02

鄭罡（1985—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闅堄鄳?yīng)力、結(jié)構(gòu)力學(xué)。