陳敏,張周紅,吳高峰,湯鳳

(中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518045)

1 問(wèn)題的提出

在核電工程中,管道系統(tǒng)被大量使用,研究它的力學(xué)行為具有重要的意義[1-2]。管道力學(xué)分析單元可劃分為簡(jiǎn)單管道系統(tǒng)和復(fù)雜管道系統(tǒng),對(duì)于復(fù)雜管道系統(tǒng),一般由主管線(xiàn)和多個(gè)支管線(xiàn)組成,因而管道的空間走向和受載情況十分復(fù)雜,致使管道力學(xué)分析十分復(fù)雜[3]。管道力學(xué)分析是證明管道系統(tǒng)在承受與每類(lèi)工況相關(guān)的載荷時(shí)不發(fā)生某種形式失效的主要途徑之一[4]。核級(jí)管道應(yīng)力分析的常用方法有2種:簡(jiǎn)化計(jì)算分析和數(shù)值模擬計(jì)算分析。簡(jiǎn)化計(jì)算方法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算和評(píng)定的一種簡(jiǎn)單的管道設(shè)計(jì)方法,不能準(zhǔn)確地描述管道力學(xué)行為,只適用于小管道設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于大管道而言,需要采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬計(jì)算,尤其是復(fù)雜的大管道系統(tǒng),它的力學(xué)特性復(fù)雜,安全性能要求高,必須采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行力學(xué)分析。

目前,民用核級(jí)管道應(yīng)力分析的計(jì)算機(jī)軟件主要有[5-8]ADLPIPE,AUTOPIPE,SYSPIPE,PIPESTRESS,KWUROHR,HROHR2和APA(AREVAPIPINGADDON)等。APA是由法國(guó)AREVA公司最近開(kāi)發(fā)的管道計(jì)算插件,它充分利用了ANSYSWorkbench強(qiáng)大的建模功能和計(jì)算功能。同時(shí),結(jié)合各種核電設(shè)計(jì)規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)了管道力學(xué)性能評(píng)定模塊,有很強(qiáng)的可視化后處理功能。目前,國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始把APA軟件運(yùn)用到核電工程的管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,如AREVA公司的中國(guó)臺(tái)山核電項(xiàng)目,其中的1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)管道都用此軟件計(jì)算。本文以某核電廠(chǎng)一個(gè)核2級(jí)管道系統(tǒng)模型為算例,介紹了APA在核級(jí)管道系統(tǒng)力學(xué)分析中的應(yīng)用,選用RCC-M[4]設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)所計(jì)算的模型進(jìn)行了力學(xué)性能評(píng)定。

2 APA軟件概述

APA軟件是針對(duì)管道系統(tǒng)(包括直管、彎管或彎頭、三通、梁等結(jié)構(gòu))力學(xué)計(jì)算和分析的專(zhuān)業(yè)軟件,主要用于核級(jí)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核分析。APA以ANSYS軟件為平臺(tái),工作過(guò)程包括建模、計(jì)算和后處理。它有一個(gè)特殊的后處理模塊,包括了核級(jí)管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范:RCC-M、ASME(AmericanSocietyofMechanicalEngineers)、KTA(KerntechnischerAussschuss)和EN-13480(EuropeanNorm 13480)。APA軟件結(jié)合不同的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),其設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程是PDMS建模、APA-DesignModeler模型轉(zhuǎn)換、ANSYS-Workbench-Simulation網(wǎng)格劃分、ANSYS求解、APA后處理模塊評(píng)定管道和生成計(jì)算報(bào)告。

用APA軟件計(jì)算時(shí),管系的幾何模型來(lái)源于PDMS軟件中的3D模型,由PDMS將幾何模型的信息輸出生成一個(gè)文本文件,然后,APA軟件讀入此文件即可創(chuàng)建管道系統(tǒng)的幾何模型。在這一過(guò)程中,只需要點(diǎn)擊幾個(gè)按鈕便可完成幾何模型的建立。因此,采用APA軟件計(jì)算時(shí),比SYSPIPE軟件建模方便很多。通過(guò)一系列的節(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主要單元類(lèi)型有PIPE16單元,用于直管、大小頭、閥門(mén)和三通;PIPE18單元,用于彎頭或彎管;COMBIN14單元,用于剛性和阻尼;MASS21單元,用于集中質(zhì)量。程序提供各設(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)材料數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí),用戶(hù)還可以自定義材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

APA軟件使用ANSYS求解器,可以計(jì)算靜載和動(dòng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。主要考慮的靜載荷有:重力和其他持久機(jī)械力、溫度載荷、錨固點(diǎn)位移載荷、內(nèi)壓載荷。對(duì)于動(dòng)載荷,管道計(jì)算基于譜分析方法,首先是模態(tài)計(jì)算,然后是譜分析(單點(diǎn)譜分析和多點(diǎn)譜分析)。譜分析時(shí),先求得各階模態(tài)下各個(gè)自由度方向的最大響應(yīng),位移、速度、加速度激勵(lì)的響應(yīng)按不同的公式計(jì)算。由于每階模態(tài)的最大響應(yīng)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn),用模態(tài)組合方法求得結(jié)構(gòu)各個(gè)自由度方向的最大響應(yīng),由結(jié)構(gòu)的響應(yīng)再求出單元應(yīng)力。組合方法有CQC(CompleteQuadraticCombination Method),GRP(GroupingMethod),DSUM(Double SumMethod),SRSS(SRSSMethod),NRLSUM(NR L-SUMMethod)。

3 核級(jí)管道應(yīng)力分析

管道系統(tǒng)的應(yīng)力分析目的在于證明管系在承受與各類(lèi)工況相關(guān)的載荷時(shí),均不發(fā)生某種形式的失效,就是使每類(lèi)工況下管道的最大應(yīng)力不超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的限值。運(yùn)用APA軟件進(jìn)行核級(jí)管道應(yīng)力分析的過(guò)程主要有6個(gè)方面。

(1)建立幾何模型和有限元模型,幾何模型可以從PDMS三維模型直接導(dǎo)入,在APA軟件的DesignModeler模塊中生產(chǎn)模型,用Simulation模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(2)施加邊界條件,即加入管道支架和錨固點(diǎn)約束。

(3)按設(shè)計(jì)要求分別施加與每類(lèi)工況相關(guān)的載荷,管道系統(tǒng)承受的載荷大致可分為4類(lèi)[9]。

1)壓力載荷?？赡茉趲追N不同壓力、溫度組合條件下運(yùn)行的管道,應(yīng)根據(jù)最不利的壓力溫度組合來(lái)確定管道的計(jì)算壓力。

2)持續(xù)外載。包括管道自身載荷(管子及其附件的重量、管內(nèi)介質(zhì)重量、管外保溫的重量等)、支吊架的反力以及其他集中和均布的持續(xù)外載。

3)熱脹和端點(diǎn)位移。管道由安裝狀態(tài)過(guò)渡到運(yùn)行狀態(tài),由于管內(nèi)介質(zhì)的溫度變化,管道產(chǎn)生熱脹冷縮使之變形;與設(shè)備相連接的管道,由于設(shè)備的溫度變化而出現(xiàn)端點(diǎn)位移,也使管道變形。

4)偶然性載荷。它包括風(fēng)雪載荷、地震載荷、流體沖擊以及安全閥動(dòng)作而產(chǎn)生的沖擊載荷。

(4)分別對(duì)每個(gè)載荷作用進(jìn)行求解計(jì)算并得到結(jié)果,在動(dòng)力分析前,需進(jìn)行模態(tài)分析。

(5)計(jì)算結(jié)果組合并履行應(yīng)力評(píng)定,將每類(lèi)工況所考慮的載荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合計(jì)算,按照設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)公式校核應(yīng)力。

(6)輸出支架反力、閥門(mén)加速度以及特殊點(diǎn)的位移,按設(shè)計(jì)規(guī)范要求評(píng)定。

4 核級(jí)管道應(yīng)力分析

4.1 管系模型

管系模型中的基本參數(shù):管道系統(tǒng)為核二級(jí)管道,材料為不銹鋼X2CrNiMo17-12-2,管道公稱(chēng)直徑150mm,管道壁厚10.97mm,絕熱層材料為礦物纖維AGI-Q132,密度為100kg/m3,管內(nèi)流體為水,管道系統(tǒng)的3維模型如圖1所示。管系中閥門(mén)質(zhì)量為78.9kg,計(jì)算溫度100℃,壓力為1.3MPa,抗地震等級(jí)為SC2。計(jì)算時(shí)要考慮的載荷有自重、內(nèi)壓、熱膨脹和地震,載荷工況、組合及評(píng)定公式見(jiàn)表1。在該算例中,沒(méi)有計(jì)算C級(jí)工況,因?yàn)锽級(jí)工況與C級(jí)工況載荷相同,當(dāng)B級(jí)工況滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí),C級(jí)工況自動(dòng)滿(mǎn)足。計(jì)算的有限元模型如圖2所示,共劃分170個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)數(shù)為171。泵入口的接管載荷限值見(jiàn)表2。

表1 管道載荷工況、組合及評(píng)定公式

表2 泵入口接管載荷限值

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

管系分析包括了靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算,地震載荷的分析采用反應(yīng)譜法。計(jì)算模型中包括直管單元、彎管單元、剛性單元、集中質(zhì)量單元等。閥門(mén)的閥體用2個(gè)剛性單元和集中質(zhì)量單元來(lái)描述,閥桿用梁?jiǎn)卧图匈|(zhì)量單元描述。分別計(jì)算了管道在自重、壓力、熱膨脹、檢測(cè)地震和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震載荷作用下的應(yīng)力和支撐受力狀況,并按RCC-M規(guī)范組合工況,校核應(yīng)力強(qiáng)度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4、表5,應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

表3給出了每種工況下的管道最大應(yīng)力值,由此可知,管道應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。表4是各種工況下泵入口處的受力情況,與表2對(duì)比可知,泵管嘴受力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。表5為最壞工況下的每個(gè)支架受力狀態(tài),這些支架載荷是支架選型的設(shè)計(jì)依據(jù)。從圖3中可直觀(guān)地看到管系中的應(yīng)力分布,很容易找到危險(xiǎn)點(diǎn)和把握在各種載荷作用下的管系變形,這是很多管道力學(xué)分析軟件不能做到的。

表3 最大應(yīng)力及其比值

表4 泵入口管嘴受力

表5 支架受力最大值

圖3 應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論

本文以某核電廠(chǎng)一個(gè)核二級(jí)管道系統(tǒng)為例,介紹了APA軟件在核級(jí)管道力學(xué)分析中的應(yīng)用?？梢钥闯?APA軟件充分利用了ANSYS強(qiáng)大的建模和求解功能,結(jié)合了主要的核電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,具有建模方便、計(jì)算能力強(qiáng)、后處理直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn),尤其適用于復(fù)雜管道系統(tǒng)的力學(xué)分析,在核電工程中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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