反应堆压力容器密封分析方法及应用

2010.06.25

第24卷Vol.24总第94期

反应堆压力容器密封分析方法及应用

吕勇波郑连纲杨

摘

宇

中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家重点实验室，成都610041

要：反应堆压力容器是主回路冷却剂压力边界屏障的一个重要设备，它具有高温、高压、高放射性的特点，对其进行密

封分析是其设计过程中很重要的一环。为了验证红沿河核电工程中压力容器结构设计的密封性，采用基于Ａｎｓｙｓ软件的三维耦合热弹塑性接触密封分析技术，对红沿河核电工程的压力容器密封结构在正常与扰动工况下的密封性能进行了计算，结果表明其在正常与扰动工况下满足密封要求。

关键词：压力容器；密封分析；红沿河核电工程

中图分类号：ＴＬ３５１．６文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９００６（２０１０）０２－００３４－０４

AnAnalyticalMethodandApplicationof

ReactorPressureVesselSeal

LVYong-bo,ZHENGLian-gang,YANGYu

（ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅａｃｔｏｒＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａ，６１００４１，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｃｈｉｎａ）

Abstract：Ｒｅａｃｔｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ（ＲＰＶ）ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｏｏｌａｎｔｌｏｏｐｐｒｅｓｓｕｒｅｂｏｕｎｄａｒｙ．Ｓｅａｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｉｓ

ｃｒｕｃｉａｌｉｎｉｔｓｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｅｃａｕｓｅｉｔｗｉｌｌｂｅｓｕｂｊｅｃｔｔｏｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄｈｉｇｈ-ｌｅｖｅｌｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｓｅａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅＨｏｎｇｙａｎｈｅＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＰｒｏｊｅｃｔ'ｓＲＰＶｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅ３ＤｅｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄｏｆＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＲＰＶｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｉｎｌｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｃｒｉｔｅｒｉａｕｎｄｅｒｎｏｒｍａｌａｎｄｄｉｓｔｕｒｂｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．

Keywords：ｒｅａｃｔｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ；ｓｅａｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ；Ｈｏｎｇｙａｎｈｅｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｐｒｏｊｅｃｔ

反应堆压力容器是主回路冷却剂压力边界屏障的一个重要设备，它具有高温、高压、高放射性的特点。在反应堆压力容器分析设计中，不仅要求保证其结构完整性———不发生容器的无延性断裂破损，而且要保证其在运行和试验工况下不发生放射性物质的泄漏。因此对反应堆压力容器进行密封分析是其设计过程中很重要的一环。

关于压力容器密封分析，国内外已经作了部、徐铭宇等［２］、Ｔ．Ｊ．Ｌｉｎ［３］分研究工作。杜雪松等［１］

等针对压力容器的三维密封分析开发了专用有限元程序，并进行了一系列的改进和相关分析。曲家棣等［４］对压力容器进行了热态实验与分析。但是，这些研究并没有对压力容器密封结构在正常运行期间所承受的所有载荷瞬态进行密封验证。

日本三菱重工应用ＡＮＳＹＳ软件对秦山二期核电工程中的压力容器进行了二维有限元密封分析，但是其分析是以法兰转角换算间接获得密封面分离量，未考虑密封面局部变形因素。本文根据压力容器的密封评价标准，即压力容器内、外密封环中心线处的轴向最大分离量小于０．２ｍｍ，对红沿河核电工程的反应堆压力容器在正常运行期间承受的所有载荷瞬态进行了密封性能验证，分析方法为基于Ａｎｓｙｓ软件的三维耦合热弹塑性接触密封分析技术，考虑了密封面局部变形因素。1反应堆压力容器密封结构描述

红沿河核电工程的反应堆压力容器密封结构主要包括：压力容器半球形顶封头、顶盖法兰、

收稿日期：2010-01-07作者简介：吕勇波（１９８０－），男，工程师，２００７年３月毕业于华中科技大学力学系，获硕士学位，现从事反应堆结构力学工作。

郑连纲（１９７９－），男，工程师，２００２年７月毕业于大连理工大学工程力学系，获学士学位，现从事反应堆结构力学工作。杨宇（１９７０－），男，高级工程师，１９９２年毕业于上海交通大学工程力学系，获学士学位，现从事反应堆结构力学分析工作。

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筒体段、筒体法兰以及５８根主螺栓。为了防止冷却剂物质泄漏，顶盖法兰和筒体法兰密封面处用表面镀银的双道金属“Ｃ”型环进行密封。密封结构简图如图１所示。

（５）环槽分布于上法兰：“Ｃ”型环经插片均匀托起，随顶盖一起吊装，便于每次换料时更换“Ｃ”型环。

在实际装配后，由５８根主螺栓的预紧力来压紧顶盖法兰与筒体法兰之间的“Ｃ”型环，依靠“Ｃ”型环对顶盖法兰与筒体法兰的回复力，使其对密封面上凹凸不平处加以填塞以达到密封效果。在压力容器正常运行工况下，由于容器内部的压力和温度的作用使主螺栓伸长，密封面处的上下法兰面发生分离，被压缩的“Ｃ”型密封环产生回弹，当初始压缩量为１０％时，“Ｃ”型环的最大回弹量为０．３６ｍｍ，考虑到加工工艺以及试验误差，根据保守性原则，规定“Ｃ”型环的最大回弹量超过０．２ｍｍ即发生密封失效，因此压力容器密封评价标准为内、外密封环中心线处的轴向最大分离量小于０．２ｍｍ。

2反应堆压力容器密封结构有限元分析2.1

有限元模型

由于密封结构的对称性，取整体密封结构的１／１１６（包括１／２主螺栓）建立三维有限元模型进行力学计算，有限元模型如图２所示。为了提高分析效率，同时保证计算的精度，将密封结构半球形封头上的ＣＲＤＭ管座开孔区简化为等效的无孔区，取弹性模量为实际值的９０％，泊松比为０．２７［５］。为了消除边界效应对密封面的影响，模型中将压力容器筒体法兰下部进行了延伸，延伸长度不小

图１反应堆压力容器密封结构简图

于２．５姨m，其中Rm为压力容器筒体的平均半径，t为筒体的厚度

。

该密封结构具有如下特征：

（１）封口直径大：大开口导致结构形式具有法兰高而狭，螺栓密而粗的特点。

（２）螺栓预紧力控制严格：有精细的预紧程序和定量拉伸要求，螺栓载荷不均匀度控制在２％以下。

（３）容器内表面和密封面堆焊不锈钢覆盖层：防止铁素体钢材与含硼冷却剂的直接接触而导致腐蚀。

（４）“Ｃ”型环表面镀银：可将密封面上的微隙弥合，增加密封可靠性。同时银是一种合适的核材料，与过渡层有良好的结合力。

图２

反应堆压力容器密封结构有限元模型图

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2.2载荷条件

反应堆压力容器密封结构在其服役期间，正

能出现塑性变形，为了得到准确的计算结果，本文采用了小变形弹塑性理论进行分析，应用经典的双线性随动强化，即使用一个双线性来表示应力应变曲线，存在两个斜率———弹性斜率和塑性斜率，采用随动方式描述其强化行为。弹塑性分

１／２

）＝K（k）。析中采用ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则：（J′２

常和运行工况下主要承受如下载荷：主螺栓的预紧载荷；机械载荷，其中包括：堆内构件与燃料组件总重、控制棒落棒载荷、压紧弹簧及燃料组件弹簧回弹力、“Ｃ”型密封环的回弹力、地震（ＯＢＥ）引起的堆内构件对筒体法兰和顶盖法兰的作用力；服役期间的压力和温度瞬态（其中，换料瞬态不用进行密封分析）。由于对“Ｃ”型密封环回弹力的模拟是很复杂的过程，在计算中采用了保守处理，对上下密封面施加了“Ｃ”型密封环的最大回弹力，回弹力的作用面积采用的是整个回弹过程中的均值。2.3

分析方法

整个模型采用三维２０节点实体单元进行离散，首先进行热分析，热分析时结构的网格划分保持不变，只是将结构单元转换成热单元，然后将热分析结果作为体积载荷施加于结构上，同时施加压力瞬态载荷、机械载荷进行力学计算。同时，根据结构的载荷类型以及计算经验，本文还采用了如下计算分析技术：

（１）螺栓预紧：压力容器密封分析中螺栓预紧过程的实现是一项关键技术。首先根据螺栓上施加的预紧力反复进行迭代计算，求得整个密封结构的应力、应变状态，然后保存此时结构的应力、应变状态作为施加压力与温度瞬态的初始状态，同时删除先前螺栓上所加的螺栓预紧力载荷，实现螺栓预紧的整个过程。本文应用ＡＮＳＹＳ软件中的螺栓预紧单元（ＰＲＥＴＳ１７９），实现了反应堆压力容器主螺栓预紧过程及运行过程中螺栓温度滞后现象的真实模拟。

（２）有摩擦的接触分析：密封面处的上下法兰面、球面垫圈与顶盖法兰、球面垫圈与螺母、球面垫圈与螺柱之间均为接触关系，所以在计算过程中考虑了其接触效应，在进行热分析时将接触面上的节点温度进行耦合，进行应力分析时设定了有摩擦的接触边界条件，接触摩擦系数由材料性能决定。

（３）弹塑性分析：压力容器在预紧、温度等载荷作用下，其法兰接触面附近应力集中部位可2.4计算结果

反应堆压力容器法兰内、外“Ｃ”型环位置的

分离量提取方法：

δ０＝U１－U２

式中U１为上法兰“Ｃ”型环位置节点的轴向位移，U２为下法兰“Ｃ”型环位置节点的轴向位移。该分离量同时包含了由法兰转动及密封面局部变形两种因素的贡献，这比目前广泛应用的通过法兰转角换算间接获得密封面分离量的方法更加真实准确。

对红沿河压力容器在其服役期间正常与扰动工况下的密封性能进行了计算，共计算了２７条温度与压力瞬态，针对每条瞬态都通过Ａｎｓｙｓ时间后处理程序提取了压力容器内、外密封环中心线处的轴向最大分离量，计算结果如下表１所示，结果中分离量为正表示两个密封面向外分离，分离量为负表示两个密封面向内靠拢。

表１

压力容器内、外密封环中心线处的轴向最大分离量

（正常与扰动工况）

内Ｃ型环外Ｃ型环

／ｍｍ／ｍｍ－０．２６８９－０．２９０７

－０．４７２６－０．４８３１

态瞬态描述号

１开启反应堆冷却剂系统的反应堆热启动２未开启反应堆冷却剂系统的反应堆热启动３反应堆冷停堆４

反应堆在功率１５％￣１００％之间升负荷（５％／ｍｉｎ）

反应堆在功率１００％￣１５％之间降负荷５（５％／ｍｉｎ）６突然升负荷（正常负荷的１０％）７突然降负荷（正常负荷的１０％）８稳态运行中的波动９热停堆中的波动１０蒸发器保持水位

１１反应堆在功率０％￣１５％之间升负荷１２反应堆在功率１５％￣０％之间降负荷１３主蒸汽流启动汽轮机１４换料后主回路通风操作

２．３３Ｅ－０２－０．１３０７２．９７Ｅ－２２．２３Ｅ－２１．９９Ｅ－２１．９８Ｅ－２１．６９Ｅ－２１．４６Ｅ－２３．２８Ｅ－２２．３２Ｅ－２１．８６Ｅ－２３．０７Ｅ－２－０．２９２１

－０．１２３９－０．１２６２－０．１２７３－０．１２７９－０．１２８８－０．１２５６－０．１２４６－０．１２９１－０．１２７７－０．１３１４－０．４９０１－０．５３１４

１５主系统在单相水状态下的中幅值升温和冷却－０．３４５３

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续表

瞬

内Ｃ型环外Ｃ型环

态瞬态描述

／ｍｍ／ｍｍ

号

１６主系统在单相水状态下的大幅值升温和冷却－０．３３４８－０．５２７１１７主系统在稳压器满水状态下的升温和冷却－４．２２Ｅ－２－０．１７３２１８主系统在低温下的升压１９反应堆冷却剂流量部分丧失２０有正常排热情况下的反应堆紧急停堆２１

－０．２１９４

－０．４０３６

２．０３Ｅ－２－０．１２６２１．６８Ｅ－２－０．１３１２

在正常与扰动工况下的密封性能进行了计算，计算结果表明其在正常与扰动工况下满足密封要求。本文的研究工作为红沿河反应堆压力容器的密封设计提供了重要参考依据，具有一定的工程设计指导意义，然而本文的很多计算都作了一定的保守性处理，例如“Ｃ”型环与法兰的动态接触面积的模拟，“Ｃ”型环的动态回复力的模拟等等，对“Ｃ”型环力学性能的准确模拟将是进一步的研究工作。参考资料：

［１］杜雪松，林腾蛟，李润方，等．核压力容器三维密封分析程序

求解器的改进［Ｊ］．重庆大学学报（自然科学版），２００３，（１０）［２］徐铭宇，林腾蛟，李润方，等．反应堆压力容器密封系统瞬态

热弹塑性接触高效解法［Ｊ］．核动力工程，２００５，２６（１）［３］Ｔ．Ｊ．Ｌｉｎ，Ｒ．Ｆ．Ｌｉ，Ｈ．Ｏｕ，３Ｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｅａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅａｃｔｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｖｅｓｓｅｌｕｓｉｎｇｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ-ｅｌａｓｔｏ-ｐｌａｓｔｉｃｃｏｎｔａｃｔｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．１３ｔｈＡＣＭＥｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ：ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈｅｆｆｉｅｌｄ，Ｍａｒｃｈ２１－２２２００５［４］曲家棣，金惠琴，等．压力容器热态密封试验与分析［Ｊ］．压力

容器，１９９７，（４）

反应堆紧急停堆，冷却不正常过量给水但

１．６８Ｅ－２－０．１３１２

无安注

反应堆紧急停堆，冷却不正常过量给水导２２７．７１Ｅ－２－０．１０８８致安注２３反应堆冷却剂系统误降压２４应急堆芯冷却系统误操作

２５主系统在单相水状态下的冷却和过压２６汽轮机旁路系统打开汽轮机跳闸２７全厂断电

１．６８Ｅ－２－０．１３１２５．０６Ｅ－２－０．１１２９－０．２４３６

－０．４６７４

３．５６Ｅ－２－０．１０４９３．５６Ｅ－２－０．１０４９

根据以上的计算结果得知，红沿河压力容器密封结构在正常与扰动工况下内、外密封环中心线处的轴向最大分离量均小于０．２ｍｍ，即满足密封要求，最大分离量为０．０７７ｍｍ，发生在反应堆紧急停堆，冷却不正常过量给水导致安注瞬态。结语

本文采用基于Ａｎｓｙｓ软件的三维耦合热弹塑性接触密封分析技术，对红沿河压力容器密封结构!"!!"简讯

!"

［５］Ｔ．ＳＬＯＴ＆Ｗ．Ｊ．Ｏ'ＤＯＮＮＥＬＬ，ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＥｌａｓｔｉｃＣｏｎｓｔａｎｔｓｆｏｒＴｈｉｃｋ

ＰｅｒｆｏｒａｔｅｄＰｌａｔｅｓｗｉｔｈＳｑｕａｒｅａｎｄＴｒｉａｎｇｕｌａｒＰｅｎｅｔｒａｔｉｏｎＰａｔｔｅｒｎｓ［Ｓ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡＳＭＥ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１９７１，ｐｐ９３５－９４２

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瓦。率。

我国首个智能电网综合示范工程开工

我国首个智能电网综合示范工程在中国、新加坡两国政府间重要的战略合作性项目———中新天津生态城7日开工。中新生态城管委会签约出资1亿元支持天津电力公司在生态城进行智能电网建设。

，将在中新生态城的资源优化配置、社会经济发展中发挥重要作“智能电网作为未来城市能源供应和服务的‘高速公路’

用，提高可持续能源的利用率和稳定性。”国家电网总信息师吴玉生表示，我国拥有完全自主创新技术的这一智能电网综合示范工程的建设、运营和管理经验，将为中国城市提高能源效率树立典型示范。

在智能电网工程涉及的中新天津生态城电网规划中，包括太阳能、海水发电、风能在内的各种可再生能源的替代电量约占整个生态城用电量24.62%。其中，太阳能发电将达到4万千瓦，生物质能发电将达1万千瓦，风能发电达到12.5万千

值得关注的是，中新生态城智能电网将建立选择锂电子电池为主要储能装置的储能系统，建设集中储能站，解决了储备电能难题，由自动化系统集中监控，可以有效地保证风力发电等新能源发电的输出，同时“削峰填谷”地提高利用能源效

与家庭密切相关的是，在即将于2011年底建成的一期项目中，中新生态城的智能用电小区家庭将享用智能化服务。这包括实现通过智能用电设备实现电表查询、物业配送、网络增值、医疗等特色服务，实现电热水器、空调、冰箱等家庭灵敏负荷的用电信息采集和控制，同时建立紧急求助、燃气泄漏、烟感、红外探测于一体的家庭安防系统。

来源：新华网２０１０－０４－０７