一種板殼型支座的設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析*

許輝焱，李　晨

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00233)

0　引　言

反應(yīng)堆壓力容器支座是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備支承的一部分，用來承載反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)的重量及主管道的載荷，并將支座在各類工況下所承受的載荷傳遞到反應(yīng)堆廠房建筑結(jié)構(gòu)上，以保證反應(yīng)堆本體結(jié)構(gòu)位置的穩(wěn)定性[1]。反應(yīng)堆壓力容器支座是一種重要的核安全設(shè)備，其完整性和可靠性直接關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運(yùn)行和電站壽命。

筆者所述的反應(yīng)力容器支座是一種板殼型支承件，對于該支座的設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料與焊接設(shè)計(jì)及應(yīng)力強(qiáng)度等進(jìn)行了相關(guān)介紹和分析。

1　設(shè)計(jì)要求

反應(yīng)堆壓力容器支座的基本功能是為反應(yīng)堆壓力容器提供支承，允許反應(yīng)堆壓力容器的徑向熱膨脹，并限制反應(yīng)堆壓力容器橫向運(yùn)動和扭轉(zhuǎn)。該壓力容器支座可分為支座設(shè)備和預(yù)埋件兩部分，支座設(shè)備的設(shè)計(jì)遵循ASME規(guī)范第III卷NF分卷要求[2]，且應(yīng)滿足RG 1.130板殼型支承的要求；支座預(yù)埋件的設(shè)計(jì)遵循ANSI/AISC N690[4]和ACI 349[5]的要求。

此外，壓力容器支座在假想的地震和事故工況下能為反應(yīng)堆壓力容器提供約束以保證壓力邊界的應(yīng)力和變形保持在ASME規(guī)范和機(jī)械管道破裂準(zhǔn)則(LBB)限制范圍之內(nèi)。經(jīng)歸納該反應(yīng)堆壓力容器支座大致應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：

(1) 應(yīng)為固定式支承，既要限制壓力容器平動和轉(zhuǎn)動，又要滿足壓力容器的徑向熱膨脹要求；

(2) 設(shè)計(jì)壽命60年，在整個電站60年壽期內(nèi)不能維修，亦不可更換，且應(yīng)保持其安全功能；

(3) 支座設(shè)備分級為：核安全1級(SC-1)、質(zhì)保1級(QSA1)、抗震類別為I類、規(guī)范級別為NF分卷1級；預(yù)埋件分級為：核安全3級(SC-3)、質(zhì)保3級(QSA3)、抗震類別為I類、規(guī)范級別為ANSI/AISC N690和ACI 349；

(4) 支座設(shè)備按NF分卷1級板殼型支承設(shè)備進(jìn)行評定；預(yù)埋件分析評定時(shí)，支座預(yù)埋件有限元分析輸入荷載采用規(guī)范AISC N690-1994進(jìn)行組合和評定；驗(yàn)算支座預(yù)埋件周圍混凝土和地腳螺栓時(shí)，輸入荷載采用規(guī)范ACI 349-2001進(jìn)行組合和評定；

(5) 壓力容器支座的設(shè)計(jì)應(yīng)便于安裝，并且必須具有一定的調(diào)節(jié)措施，以補(bǔ)償由于廠房結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆壓力容器位置及其外形造成的常規(guī)尺寸偏差。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

反應(yīng)堆壓力容器支座的布置圖請見圖1。反應(yīng)堆壓力容器支座為板殼型支承結(jié)構(gòu)，1套反應(yīng)堆壓力容器支座主要由4個箱式支座組件(支座設(shè)備)、4個預(yù)埋件組件以及8個地腳螺栓組件(預(yù)埋件組件和地腳螺栓組件統(tǒng)稱為預(yù)埋件)組成。支座組合件分別位于反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)口接管下方，相互間成90°，其結(jié)構(gòu)允許反應(yīng)堆壓力容器接管徑向位移，周向上限制反應(yīng)堆壓力容器的轉(zhuǎn)動；預(yù)埋件組件分布在每個壓力容器支座組合件的兩端，并與支座組合件螺栓連接，用于限制壓力容器支座的周向位置，并將壓力容器支座承受的水平載荷傳遞至建筑結(jié)構(gòu)。地腳螺栓組件預(yù)埋在壓力容器支座設(shè)備下方，并穿過結(jié)構(gòu)模塊CA04與壓力容器支座設(shè)備連接。反應(yīng)堆壓力容器支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還具有以下特點(diǎn)：

(1) 支承結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布比較均勻，無高應(yīng)力峰值區(qū)出現(xiàn)；

(2) 支承部位在反應(yīng)堆重心位置以上，保證了反應(yīng)堆本體的穩(wěn)定性；

(3) 在各個壓力容器支座組件凹槽兩側(cè)，設(shè)置了現(xiàn)場修配的側(cè)調(diào)整墊片，以保證安裝后的支座凹槽兩側(cè)與反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)口接管支承凸臺的冷態(tài)間隙滿足要求；

(4) 在各個壓力容器支座組件兩端與預(yù)埋件組件接口處，設(shè)置了現(xiàn)場修配的調(diào)整墊片，以保證其間隙不大于0.2 mm；

(5) 壓力容器支座設(shè)有通風(fēng)結(jié)構(gòu)，帶走了從壓力容器接管傳到支座的熱量，保證了支座處混凝土表面溫度不超過允許值93 ℃；

(6) 壓力容器支座的主要承力焊縫，采用全焊透的焊接設(shè)計(jì)，以保證連接質(zhì)量。

反應(yīng)堆壓力容器支座設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　反應(yīng)堆壓力容器支座設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

2.2　結(jié)構(gòu)接口設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器支座與反應(yīng)堆壓力容器筒體、CA04模塊、CA01模塊、筒體金屬保溫層等設(shè)備存在接口，這些接口的設(shè)計(jì)應(yīng)不影響接口設(shè)備的功能及設(shè)計(jì)要求。

2.2.1反應(yīng)堆壓力容器接口

反應(yīng)堆壓力容器支承塊設(shè)置在進(jìn)口接管下部，為反應(yīng)堆壓力容器和壓力容器支座之間的接口。

反應(yīng)堆壓力容器支座不允許與反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行焊接，在承受重載的同時(shí)，還應(yīng)能允許反應(yīng)堆壓力容器的徑向熱膨脹。因此，在役運(yùn)行期間反應(yīng)堆壓力容器接口處在重載下的往復(fù)摩擦不可避免。該壓力容器支座在此處采用了石墨填充的球墨鑄鐵減摩板解決這一問題，經(jīng)一系列相關(guān)試驗(yàn)，采用該種減摩板即可保證重載下支座設(shè)備的完整性和可靠性。

2.2.2建筑結(jié)構(gòu)接口

廠房建筑結(jié)構(gòu)為混凝土或者鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中已考慮為壓力容器支座設(shè)備及其預(yù)埋件提供支承和預(yù)留足夠的安裝空間，并考慮了混凝土的二次澆灌對設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響。壓力容器支座設(shè)備通過地腳螺栓組件與結(jié)構(gòu)模塊CA04、混凝土連接，參見圖1。預(yù)埋件組件與結(jié)構(gòu)模塊CA01、CA04的接口和位置關(guān)系可見圖2。

圖1　反應(yīng)堆壓力容器支座布置圖

圖2　預(yù)埋件與CA01、CA04結(jié)構(gòu)模塊接口縱剖圖

2.2.3壓力容器筒體金屬保溫層接口

在反應(yīng)堆壓力容器筒體外壁和CA04堆腔之間設(shè)有壓力容器筒體金屬保溫層，金屬保溫層的相關(guān)結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)反應(yīng)堆堆腔冷卻空氣冷卻反應(yīng)堆壓力容器支座，從而避免支座的金屬傳導(dǎo)熱導(dǎo)致混凝土超過93 ℃的混凝土設(shè)計(jì)溫度。

3　材料與焊接設(shè)計(jì)

3.1　材料設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器支座的主要材料為碳素鋼和合金鋼，其材料可以采用ASME規(guī)范第II卷[3]和第III卷(包括NF分卷)規(guī)定的材料。壓力容器支座的主要材料也可采用符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)的碳素鋼(如Q235、Q275)或合金結(jié)構(gòu)鋼(如Q345、Q390、Q420、Q460等)。對于本文所述的反應(yīng)堆壓力容器支座，主要結(jié)構(gòu)為板材，主要采用了Q345和Q420這兩種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。對于緊固件所用的棒材，主要采用了SA-540 B23 Cl.2、SA-540 B23 Cl.3和SA-540 B24 Cl.2這幾種材料。

由于高強(qiáng)度材料對脆性和應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性，支座設(shè)備及其預(yù)埋件的緊固件螺栓材料的最小屈服強(qiáng)度不應(yīng)超過1 034 MPa，實(shí)測最大抗拉強(qiáng)度不應(yīng)超過1 172 MPa。

壓力容器支座滑動表面(減摩板)可使用LUBRON AE40潤滑劑(石墨填充物)嵌入到孕育鑄鐵GA 50(meehanite GA50)基板中。

預(yù)埋件材料應(yīng)滿足ANSI/AISC N690 Q1.4規(guī)定的“突然撞擊載荷”準(zhǔn)則的要求。

支座所采用的材料在板厚方向受拉伸載荷作用時(shí)，還應(yīng)滿足以下要求：

(1) 所有在全厚度方向受拉伸載荷作用的支座設(shè)備板材應(yīng)符合NF-4441中規(guī)定的(a)、(b)、(d)中的一種，且板材焊接前應(yīng)按ASME SA-578進(jìn)行100%的超聲檢測并滿足等級C的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

(2) 所有在全厚度方向受拉伸載荷作用的預(yù)埋件板材應(yīng)按ASTM A435進(jìn)行100%的超聲檢測，或者按ASTM A770進(jìn)行厚度方向的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足A770中的驗(yàn)收指標(biāo), 且斷面收縮率還應(yīng)不低于縱向拉伸試驗(yàn)斷面收縮率實(shí)測值的90%。

采用以上材料，經(jīng)本文第4節(jié)的相關(guān)應(yīng)力分析可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)一定的情況下采用這些材料能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2　焊接設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆壓力容器支座主要采用板殼型支承結(jié)構(gòu)，大量板件需交錯焊接，且大部分焊縫設(shè)計(jì)必須為全焊透焊縫。由于支座板厚較大、焊縫多，焊接過程中熱輸入量大，焊接變形成為影響焊接質(zhì)量的主要因素。目前對產(chǎn)生的焊接變形主要通過機(jī)加工進(jìn)行消除，耗費(fèi)的人力物力巨大。如果能夠提前預(yù)測產(chǎn)生的焊接變形，就可以通過改變相應(yīng)焊接工藝對焊接變形進(jìn)行有效控制，節(jié)約成本并提高生產(chǎn)效率。

對于該反應(yīng)堆壓力容器支座焊接結(jié)構(gòu)，制造單位聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)做過焊接變形預(yù)測分析[8]，通過建立類似圖3所示的帶焊接坡口和焊縫填充的有限元模型，基于固有應(yīng)變法對支座的焊接變形進(jìn)行模擬，模擬分析如下。

(1) 在結(jié)構(gòu)剛度較小的部位均出現(xiàn)較為明顯的焊接變形，建議在實(shí)際施焊過程中增加適當(dāng)?shù)闹蝸碓黾咏Y(jié)構(gòu)的剛度，減小焊接變形，從而使焊接變形達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

(2) 對于結(jié)構(gòu)整體焊接變形，可以通過改變焊接方向和焊接順序來進(jìn)行改善。

反應(yīng)堆壓力容器支座采用了大量的全焊透焊縫，除了上述的焊接變形，由于支座自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和尺寸局限，支座焊縫根部的清根也是難點(diǎn)之一。對此，可采用非金屬的陶瓷襯墊避免焊縫清根操作，在保證單面焊雙面成形的同時(shí)，也不會對焊縫金屬的化學(xué)成分有任何影響。

圖3　壓力容器支座有限元模型及受力示意圖

4　應(yīng)力分析

本文僅對反應(yīng)堆壓力容器支座組件進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力分析，預(yù)埋件的具體應(yīng)力分析本文不作介紹。根據(jù)ASME規(guī)范第III卷NF-3221、NF-3223、表NF-3522(b)-1以及附錄F-1332，壓力容器支座板殼型支承件應(yīng)滿足總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm、一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb的應(yīng)力限制的要求，部分部件還應(yīng)滿足平均支承應(yīng)力fp限制和平均剪切應(yīng)力fv限制的要求。根據(jù)ASME規(guī)范第III卷NF-3324.6和表NF-3225.2-1，壓力容器支座螺栓連接件應(yīng)滿足拉伸應(yīng)力ftb、剪切應(yīng)力fvb及組合應(yīng)力限制的要求。

4.1　載　荷

反應(yīng)堆壓力容器支座載荷有：反應(yīng)堆本體重量載荷、控制棒沖擊載荷、地震載荷、熱脹引起載荷等。

將設(shè)計(jì)工況下的壓力容器支座載荷按最惡劣的情況進(jìn)行載荷組合，則單個支承主要承受三個方向的力：豎直方向的重力、沖擊力(CRDM)和地震載荷Fz；水平切向的熱脹力Fx；水平徑向的摩擦力(熱脹引起)Fy。支座有限元模型及受力如圖3所示。設(shè)計(jì)載荷見表2。

表2　單個壓力容器支座組合件的設(shè)計(jì)載荷

4.2　分析方法

根據(jù)本文4.1節(jié)，壓力容器支座外加載荷包括豎直載荷、水平載荷以及徑向摩擦載荷，摩擦系數(shù)取0.35。豎直載荷為面載荷，作用在頂板上，方向?yàn)樨Q直Z負(fù)向；水平載荷為均布載荷，作用在擋板與頂部通風(fēng)板交界處，方向?yàn)橹芟騒方向；徑向摩擦載荷為均布載荷，作用在頂板上，方向?yàn)閺较験方向。另外，以施加加速度的方式考慮壓力容器支座本身自重載荷。

應(yīng)力分析時(shí)模擬CA04模塊和預(yù)埋組件的單元節(jié)點(diǎn)約束全部6個方向的自由度，底板雙頭螺栓約束三方向自由度，地腳螺栓僅約束UZ方向自由度。另外，考慮預(yù)埋件擋塊對壓力容器支座的變形限制作用，在支座受水平載荷一側(cè)，底板與預(yù)埋件擋塊接觸的位置約束周向UX方向自由度。

應(yīng)力分析使用靜力分析方法計(jì)算壓力容器支座有限元模型一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Pm、一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度Pm+Pb，平均支承應(yīng)力fp和平均剪切應(yīng)力fv。

水平減摩板和水平調(diào)整墊通過調(diào)平螺栓連接，主要承受徑向摩擦載荷，因此對調(diào)平螺栓的剪切應(yīng)力fvb進(jìn)行評定。剪切應(yīng)力計(jì)算采用材料公式計(jì)算[7]。剪切載荷為徑向摩擦載荷=豎直載荷×摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)取0.35，剪切應(yīng)力=剪切載荷/調(diào)平螺栓截面積；底板雙頭螺栓將支座組件固定在預(yù)埋件組件上，需對其拉伸應(yīng)力ftb、剪切應(yīng)力fvb和組合應(yīng)力進(jìn)行評定；而地腳螺栓認(rèn)為其只承受豎向拉伸載荷，因此對其拉伸應(yīng)力ftb進(jìn)行評定。

4.3　評定結(jié)果

如表3和表4所列為壓力容器支座各部件在各使用限制下的應(yīng)力分析與評定結(jié)果(簡略起見，僅列出設(shè)計(jì)工況與D級工況結(jié)果)。如圖4和圖5為D級使用限制下Pm和Pm+Pb應(yīng)力強(qiáng)度分布，如圖6為D級使用限制下頂板和底板fv分布。評定結(jié)果表明支座的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度要求。

表3　板殼型支承件應(yīng)力分析與評定結(jié)果

注：(1) 設(shè)計(jì)使用限制包絡(luò)A級使用限制。

表4　螺栓連接件應(yīng)力分析與評定結(jié)果

圖4　D級使用限制下Pm應(yīng)力強(qiáng)度分布　　　　　　　圖5　D級使用限制下Pm+Pb應(yīng)力強(qiáng)度分布

圖6　D級使用限制下頂板和底板fv分布

5　結(jié)　語

本文介紹了一種板殼型反應(yīng)堆壓力容器支座的設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料與焊接設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對支座組件和相關(guān)螺栓連接件進(jìn)行了簡要的應(yīng)力分析。分析結(jié)果證明了該種板殼型反應(yīng)堆壓力容器支座設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。本文也可為類似的板殼型支座設(shè)計(jì)提供參考。