黃 慶，張振華，蔣 興

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233)

核電廠(chǎng)換熱器按傳熱面型式分為管式換熱器(含傳熱管)和板式熱交換器[1]。而三代AP1000依托項(xiàng)目的非能動(dòng)余熱排出熱交換器(PRHR HX)為C型框架式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的U型管換熱器的支承件采用的隔板，熱對(duì)其影響基本可以忽略。主要考慮壓力、自重和地震等載荷的影響[2,3]。而在PRHR HX中，設(shè)備運(yùn)行瞬態(tài)一次側(cè)的溫度變化劇烈，傳熱管的熱膨脹受到支撐條、框架等支承件的約束，會(huì)引起支撐條的一次應(yīng)力，而根據(jù)規(guī)范該應(yīng)力不可忽略，因此需進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

PRHR HX置于安全殼 (IRWST)水箱中，該換熱器由自?xún)?nèi)向外共29排、將近700根的形狀似C的傳熱管組成[4]。因?yàn)閭鳠峁茴H長(zhǎng)，所以需要用支撐條增加剛度，以防止傳熱管的過(guò)度變形，支撐條共9排，由于上下對(duì)稱(chēng)，分為5種類(lèi)型。另外傳熱管與支撐條之間留有很小的間隙，所以其接觸條件頗為復(fù)雜，其傳熱管的簡(jiǎn)化處理和如何在有限元中模擬，是本文研究的重點(diǎn)。而支撐條本身也需承受熱、自重、地震和流致振動(dòng)等載荷[5-9]等，由于傳熱管和支撐條縱橫交錯(cuò)，所以還要考慮安裝的問(wèn)題，因此支撐條的應(yīng)力及其固定方式，也是本文研究的重點(diǎn)。

在進(jìn)行PRHR HX熱應(yīng)力分析時(shí)，常采用簡(jiǎn)化模型[5]和整體模型分析方法，因簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果卻過(guò)于保守，應(yīng)力不能過(guò)關(guān)。本文采用整體模型法進(jìn)行熱應(yīng)力分析[6]。

在進(jìn)行抗震分析時(shí)，因傳熱管的數(shù)量太多，采用整體模型無(wú)法找到設(shè)備的整體頻率，所以其傳熱管的簡(jiǎn)化和邊界條件的處理是此模型的研究重點(diǎn)。分析計(jì)算模型的正確性最好采用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

本文采用整體模型和抗震簡(jiǎn)化模型分別對(duì)PRHR HX進(jìn)行了熱應(yīng)力和抗震分析。通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)模型的分析和評(píng)定，其結(jié)果為除支撐條類(lèi)型Ⅲ的固定處外，均滿(mǎn)足ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NF[7]的接受準(zhǔn)則，所以需要對(duì)原設(shè)計(jì)的支撐條類(lèi)型Ⅲ的固定方式進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足應(yīng)力限制。

為了驗(yàn)證抗震分析模型計(jì)算的正確性，我院曾開(kāi)展傳熱管動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究[8]。該研究通過(guò)試驗(yàn)和分析的對(duì)比，獲得的分析方法為本文的抗震分析模型打下基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)描述

非能動(dòng)余熱排出熱交換器主要由封頭、C型傳熱管和支撐部件組成。C型傳熱管的進(jìn)出口分別和頂部、底部的管板相連。支撐部件包括上下支撐組件、框架構(gòu)件和傳熱管支撐條組成，其中類(lèi)型Ⅱ只支撐一半的傳熱管，另外，類(lèi)型Ⅲ距C型彎曲處最近，所承受的熱變形也是最大。

非能動(dòng)余熱排出熱交換器總體示意如圖1所示。支撐條和框架通過(guò)固定板、鎖定板和焊接板等部件連接在一起。其中支撐條插入鎖定板中，通過(guò)點(diǎn)焊將支撐條固定在鎖定板中；通過(guò)角焊縫將方鋼與焊接板焊接在一起，通過(guò)螺栓將鎖定板/固定板與焊接板連接在一起(見(jiàn)圖2)。

圖1 PRHR HX總體圖Fig. 1 General layout of the passive residual heat removal heat exchanger’s major component overview

圖2 類(lèi)型Ⅰ支撐條及連接部件示意圖Fig.2 PRHR tube support interface with housing (type Ⅰ)

1.1 熱載荷

選取溫差最大的熱瞬態(tài)工況，即專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施誤動(dòng)作工況B：PRHR隔離閥誤開(kāi)，來(lái)對(duì)其進(jìn)行保守的分析，即一次側(cè)上水平管束、垂直管束和下水平管束中水的均溫分別為164.4 ℃、156.9 ℃和147.8 ℃。此時(shí)內(nèi)置換料水箱(IRWST)(傳熱管支撐件)的溫度為10 ℃。

圖3 熱載荷施加示意圖Fig.3 Thermal load

1.2 驗(yàn)收準(zhǔn)則

根據(jù)ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NF分卷NF—3300規(guī)定，對(duì)線(xiàn)性支撐件的許用應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。

支撐件主要承受的載荷是自重、熱載荷和地震載荷。在設(shè)計(jì)和各級(jí)使用限制下，具體的評(píng)定限值如表1所示。

表1 各級(jí)使用限制下的應(yīng)力限值

注：當(dāng)A級(jí)/B級(jí)/C級(jí)載荷一樣時(shí)，評(píng)定時(shí)可采用A級(jí)應(yīng)力限值來(lái)包括B級(jí)和C級(jí)。

2 熱應(yīng)力分析

熱應(yīng)力分析常采用簡(jiǎn)化模型和整體模型分析方法。我院曾采用簡(jiǎn)化模型和整體模型分別建立了PRHR HX模型，兩種分析模型的結(jié)果對(duì)比可由文獻(xiàn)[6]查得。因簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果卻過(guò)于保守，應(yīng)力不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。故本文僅對(duì)整體模型法進(jìn)行熱應(yīng)力分析進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

整體模型除了包括所有傳熱管、五種類(lèi)型支撐條、框架、上下封頭和管板等主體部件外，還包含用于支撐條和框架連接的螺栓、焊接板和鎖定板等連接部件。采用ANSYS軟件中的梁?jiǎn)卧狟EAM4建立框架、傳熱管支撐和鎖定板等的計(jì)算模型；采用管單元PIPE16對(duì)689根C型傳熱管進(jìn)行建模；采用殼單元SHELL63對(duì)支撐殼體、延伸法蘭、封頭部分進(jìn)行建模(見(jiàn)圖4和圖5)。

圖4 整體模型的局部示意圖Fig.4 Integral model

圖5 傳熱管在管板和支撐類(lèi)型V處的分布Fig.5 Distribution of heat transfer tubes in tube sheet and type V supporting bars

分析時(shí)，將與墻體相連部分的支撐殼體全約束；下部支撐組件對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)垂向約束。

傳熱管(共有689根)插在支撐條中，按設(shè)計(jì)要求支撐條與傳熱管中有一定的間隙(0.15mm)，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的結(jié)論，水平傳熱管耦合Y和Z兩個(gè)方向；垂直傳熱管耦合X和Y兩個(gè)水平向，坐標(biāo)系和綁定位置示意圖如圖6所示。

圖6 邊界條件示意圖Fig.6 Boundary condition

鎖定板和支撐條的焊縫，有以下兩種邊界處理情況：

(1)未受損：約束6個(gè)方向；

(2)受損：約束2個(gè)位移向。

由于鎖定板和支撐條間角焊縫的長(zhǎng)度和高度不滿(mǎn)足ASME B&PVC第Ⅲ卷第1冊(cè)NF分卷第1冊(cè)NF—3324.5(d)[7]的要求，故該焊縫不是結(jié)構(gòu)焊，僅為裝配目的。采用全模型對(duì)CAP1000項(xiàng)目進(jìn)行線(xiàn)彈性分析時(shí)，最初假定為焊縫未受損的情況(即邊界處理情況1)。發(fā)現(xiàn)在自重和熱載荷的作用下該項(xiàng)目的薄弱區(qū)域，即類(lèi)型Ⅲ的焊縫受損，對(duì)受損后(即邊界處理情況2)的情況進(jìn)行在自重、熱載荷和地震載荷下的等效靜力分析，其結(jié)論為三號(hào)支撐條在軸向的位移為12.98～92.25 mm大于安裝長(zhǎng)度12.7 mm，此時(shí)類(lèi)型Ⅲ坍塌起不了支撐作用。通過(guò)對(duì)該模型的邊界處理的敏感分析，發(fā)現(xiàn)如增加軸向約束即約束3個(gè)位移方向時(shí)，其軸向最大的位置為1.29 mm小于12.7 mm的位置限制。故在原設(shè)計(jì)上增加了軸向約束來(lái)限制支撐條軸向的位移，并使焊縫不受力(見(jiàn)圖7)。

圖7 類(lèi)型Ⅲ支撐裝置Fig.7 TypeⅢ supporting bars

增加軸向約束后，采用線(xiàn)彈性分析，支撐條Ⅲ在A(yíng)級(jí)使用限制下的彎曲應(yīng)力為263.8 MPa，大于A(yíng)級(jí)限值129 MPa，不能滿(mǎn)足規(guī)范的要求。采用規(guī)范允許的方法釋放保守裕量后，滿(mǎn)足規(guī)范的要求。為了提高安全性，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化(見(jiàn)圖8)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，其剛度明顯增加。采用線(xiàn)彈性分析法對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果為114.5 MPa小于129 MPa的限值，能滿(mǎn)足規(guī)范的要求。該優(yōu)化已應(yīng)用于CAP1000后續(xù)項(xiàng)目中。

圖8 支撐條類(lèi)型Ⅲ更改前后Fig.8 TypeⅢ brace bar before and after modification on

3 抗震分析

在抗震分析時(shí)，設(shè)備的動(dòng)態(tài)分析簡(jiǎn)化模型要滿(mǎn)足三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)：

(1)設(shè)備的動(dòng)態(tài)質(zhì)量和剛度性能的符合性；

(2)各部件邊界的振動(dòng)耦合效應(yīng)的符合性；

(3)試驗(yàn)結(jié)果的符合性。

另外，在進(jìn)行抗震分析前，需解決一些技術(shù)問(wèn)題：即C型傳熱管束的簡(jiǎn)化，如何將近千根傳熱管合理簡(jiǎn)化為幾根傳熱管；邊界條件的處理，包括傳熱管及支撐條之間、支撐條與框架之間，以及框架與上下支撐之間。

CAP1000項(xiàng)目PRHR HX抗震模型采用ANSYS軟件中的梁?jiǎn)卧狟EAM4建立優(yōu)化后的PRHR HX框架、傳熱管、傳熱管支撐和鎖定板等的計(jì)算模型；采用殼單元SHELL63對(duì)支撐殼體、延伸法蘭、封頭部分進(jìn)行建模。模型中考慮了設(shè)備排開(kāi)水、設(shè)備內(nèi)含水和流致振動(dòng)增加組件的影響，其影響通過(guò)增加質(zhì)量的方式附加在對(duì)應(yīng)的部件單元上(見(jiàn)圖9)。

本文將689根傳熱管簡(jiǎn)化成7根C型傳熱管，即外層(1根)、中外層(1根)、中間層(3根)、中內(nèi)層(1根)和內(nèi)層(1根)。外層和內(nèi)層的代表同層的傳熱管(9根)；最中間層的兩頭代表一根，最中間一根代表中間層的其他傳熱管。由于支撐條IIB/IIT只能支持一半傳熱管，故增加中外層和中內(nèi)層兩根傳熱管來(lái)代表中外部分和中內(nèi)部分的C型傳熱管(見(jiàn)圖10)。

圖9 CAP1000 PRHR HX有限元模型Fig.9 Finite element model of CAP1000 PRHR HX

圖10 7根C型傳熱管的位置示意圖Fig.10 Schematic of the location of 7 type C heat transfer tubes

對(duì)以上模型進(jìn)行抗震分析，其結(jié)論為各部件均滿(mǎn)足規(guī)范要求。該模型是否能應(yīng)用于工程，還需通過(guò)三大技術(shù)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證其正確性。通過(guò)與圖冊(cè)的對(duì)比，兩者吻合很好，驗(yàn)證了設(shè)備的質(zhì)量和剛度的正確性，即滿(mǎn)足關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(1)。

由于此設(shè)備內(nèi)部接觸較多，判斷關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(2)存在困難，如果能滿(mǎn)足關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(3),前兩大技術(shù)指標(biāo)一定滿(mǎn)足。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

抗震分析最重要的技術(shù)指標(biāo)是滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)3，即試驗(yàn)結(jié)果的符合性。由于PRHR HX的結(jié)構(gòu)尺寸和重量較大，按照實(shí)際尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)存在較大的困難。因此整個(gè)試驗(yàn)件是按照PRHR HX結(jié)構(gòu)制作的一個(gè)與實(shí)體結(jié)構(gòu)相似但尺寸較小(盡量使換熱管的無(wú)支撐間距保持與產(chǎn)品一致)的試驗(yàn)?zāi)M體(見(jiàn)圖11)，但是C型管、支撐條以及其間隙都是精確模擬。

本試驗(yàn)分兩部分：即單管傳熱管的模態(tài)試驗(yàn)和整體模擬體試驗(yàn)。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了分析方法和試驗(yàn)對(duì)比。

圖11 試驗(yàn)件Fig.11 Simulator

4.1 單根傳熱管分析方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

單根傳熱管的試驗(yàn)在室溫下采用了力錘和多輸入多輸出(MIMO)模態(tài)分析軟件方式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。計(jì)算采用ANSYS軟件的管單元 (PIPE16) 建立了11排單根C型傳熱管的有限元梁型模型，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比詳如圖12所示。由圖可知：兩者結(jié)果吻合，說(shuō)明假設(shè)的管與支撐條的邊界處理合理，滿(mǎn)足工程要求。

圖12 單管測(cè)試結(jié)果和分析結(jié)果圖Fig.12 Test and analysis results of single tube

4.2 模擬體分析方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)?zāi)M體的模態(tài)試驗(yàn)在室溫下分別采用敲擊法和白噪聲激勵(lì)法來(lái)進(jìn)行。通過(guò)敲擊法獲得模擬體兩個(gè)水平方向的模態(tài)結(jié)果；通過(guò)白噪聲激勵(lì)法獲得模擬體三個(gè)方向的模態(tài)結(jié)果。在管束的簡(jiǎn)化處理中，以保持管束和支撐條的質(zhì)量和剛度與實(shí)際一致為原則，將11排89根傳熱管及其支撐條進(jìn)行了6種等效方案的簡(jiǎn)化分析，圖13給出了部分試驗(yàn)和分析結(jié)果，詳細(xì)的分析方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

由文獻(xiàn)[8]可知，6種方案的計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合良好，說(shuō)明傳熱管的簡(jiǎn)化都滿(mǎn)足工程要求。在C型傳熱管簡(jiǎn)化處理時(shí)，最少可簡(jiǎn)化為3根。結(jié)合圖8和圖9可知，傳熱管簡(jiǎn)化為5根，以中間排傳熱管為基準(zhǔn)，向上和向下均簡(jiǎn)化為3根，故抗震分析模型滿(mǎn)足三大技術(shù)指標(biāo)。

圖13 試驗(yàn)和分析結(jié)果Fig.13 Test and analysis results of the simulator

5 結(jié)論

采用以上的分析方法對(duì)AP1000項(xiàng)目和CAP1000項(xiàng)目PRHR HX進(jìn)行了熱分析和抗震分析。其分析結(jié)果如下：

(1)提出了整體模型的熱應(yīng)力分析方法，可全面分析焊縫和螺栓等連接部件的情況，能適應(yīng)可變的邊界。發(fā)現(xiàn)了AP1000項(xiàng)目的薄弱區(qū)域，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高了CAP1000項(xiàng)目的安全性。

(2)在解決兩大技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了滿(mǎn)足三大關(guān)鍵指標(biāo)的抗震模型，該模型的分析結(jié)果為設(shè)備改進(jìn)后，該設(shè)備能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)通過(guò)模擬體試驗(yàn)和分析的對(duì)比，驗(yàn)證了抗震分析的正確性。并為非能動(dòng)余熱排出熱交換器的抗震分析和流致振動(dòng)分析奠定了夯實(shí)的基礎(chǔ)。