CEFR堆容器温度场和热应力计算分析

CEFR堆容器温度场和热应力计算分析
余华金
中国原子能科学研究院快堆工程部，北京，102413
摘要：堆容器是中国实验快堆的核心组成部件，按照ASME规范要求，对堆容器的应力强度评定需要计算温度场和热应力，本报告利用ANSYS程序的热分析功能，建立堆容器各个部分的分析模型，采用变参数输入、等效热导率等方法计算了堆容器在不同工况下的的温度场和热应力，为堆容器的应力强度评定提供各种热应力结果。

关键词：应力强度评定温度场热应力
中图分类号：
反应堆容器是中国实验快堆的核心组成部件，按照ASME规范要求，对堆容器的应力强度评定需要计算温度场和热应力，本文利用ANSYS程序的热分析功能，建立堆容器各个部分的分析模型，采用变参数输入、等效热导率等方法计算了堆容器在不同工况下的温度场和热应力，为堆容器的应力强度评定提供各种热应力结果。

1 结构和材料
CEFR堆容器由主容器和保护容器双层壳以及堆容器支承组成，外层为保护容器，保护容器外部覆盖有相应厚度的保温层，内层为主容器。

主容器和支承属于安全一级、抗震I类，保护容器属于安全二级、抗震I类。

根据CEFR的设计，主容器支承环以上的部分，包括堆容器颈部、整个盖、主容器筒体上部的材料都采用316钢；其余部分，包括主容器筒体下部、主容器底封头、整个保护容器和堆容器支承的材料都采用304钢。

在材料部分，遇到的困难是氩气层如何处理的问题。

按ASME规范要求，氩气层应考虑传导、对流、辐射三种传热方式的混合换热，而在ANSYS程序的温度场计算中，辐射传热涉及大量的矩阵运算，三种传热方式综合在一起，需要占用大量的内存和时间，如果对每一个模型都按此计算，仅温度场计算就将耗费大量时间。

为了解决这个问题，我们在计算中采用了等效热导率的方法：将氩气层作为一种实体材料，与堆容器同时建模分网，用比较法确定氩气层的等效热导率。

选取一种模型的一个时间点，分别建立有氩气层和无氩气层两种模型，堆容器上部有氩气层模型和无氩气层模型见图1。

图1 堆容器上部有氩气层模型和无氩气层模型
对于两种模型，先由热工专家提出氩气层大致的等效热导率值，不断调节有氩气层模型中氩气层的热导率，直到有氩气层模型计算的温度场与辐射、传导、对流同时作用的无氩气层模型温度场一致，此热导率值可作为氩气层的等效热导率。

再选取不同模型的不同时间点进行若干次验证，证明这种方法是可行的，并将有氩气层模型计算得到的每一个温度场与热工计算的温度场进行比较验证，经热工专家确认后用于力学输入。

堆容器上部有氩气层和无氩气层模型计算某一时间点所得的两种温度场示于图2。

图2 堆容器上部有氩气层和无氩气层模型计算某一时间点所得的两种温度场
2 温度边界和变参数输入
2.1 温度边界
堆容器的工况和温度边界条件是按轴对称给出的。

A 级工况下，主容器和保护容器换热边界按板块分布给出了主容器和保护容器在A 级工况条件下反应堆启动过程中10个时间点上对应于各计算板块的环境温度和对流换热系数，停堆过程中10个时间点上对应于各计算板块的环境温度和对流换热系数。

A 级工况条件下反应堆从“冷”态启动过程中的温度边界条件和计划停堆过程中的温度边界条件除了有时间差异外，温度基本一致，因此只计算了一个保守的过程：按反应堆从“冷”态启动过程中的温度边界条件的变化，计算相应的温度场和热应力。

根据热工计算，包络工况的温度变化包络了B 、C 、D 级工况的温度变化，因此，包络工况的温度场和热应力计算结果将做为B 、C 、D 级工况的温度场和热应力计算结果。

包络工况下，主容器和保护容器换热边界按板块分布给出了主容器和保护容器在包络工况下对应于若干个时间点的环境温度和主容器内壁与氩气及液态钠之间的对流换热系数。

2.2变参数输入
计算中，存在着随温度变化的参数，如保温层材料的热导率、主容器和保护容器材料的热导率和比热。

为了解决利用ANSYS 程序表格输入功能，输入若干个温度下的参数值。

计算过程中，ANSYS 将根据材料温度的变化选取合适的参数值或按线性插值法取参数值。

计算中随温度变化的参数输入：
(1) 保温层热导率163.1)00016
.0035.0(⨯+=t λ W/(m ∙℃)，式中t 为温度。

(2) 容器材料热导率t 015.054.14+=λ W/(m ∙℃)，比热C=503+0.1725t J/(kg ∙℃)。

表1给出了12个温度点的参数变化值。

3 基本理论和计算模型
堆容器的整个温度场和热应力计算分为A级工况和包络工况(包络B、C、D级工况)两种情况。

根据结构和载荷特性建立了六个部分的模型进行计算，每一个模型都不是完整的堆容器模型。

第一部分是堆容器上部、中部、下部三个部分的轴对称模型，用来计算轴对称条件下的温度场、热应力。

第二部分是三个锥顶盖三维实体元模型：二分之一锥顶盖模型、四分之一锥顶盖模型、提升机导管区域的锥顶盖模型，用来计算锥顶盖及锥顶盖上各接管在各种工况下的温度场、热应力 (说明：四分之一锥顶盖模型是二分之一模型的细化，以求得到较精确的结果)，其中远离总体结构不连续区域的结果，可以与轴对称模型互相校对。

第三部分是建立堆容器裙座部分的三维实体元模型，用来计算堆容器支承部分的温度场、热应力。

3.1 轴对称模型
根据堆容器结构、工况、载荷的对称性(结构上锥顶盖不完全对称，通过建立三维模型解决)，分别建立堆容器上部、中部、下部的轴对称三维元模型(热单元plane77—结构单元plane82)，用来计算轴对称条件下不同工况的各时间点的温度场、热应力。

轴对称模型的Y轴竖直向上，X轴沿径向，X、Y、Z轴成右手系。

堆容器上部的轴对称模型如图3(1)，它包括堆容器颈部、圆锥形顶盖、主容器和保护容器筒体的上
段以及膨胀节部分，筒体长度取到大于5Rt(R为筒体中面半径,t为筒体厚度)；
堆容器中部的轴对称模型如图3(2)，它主要是主容器和保护容器筒体的中间段；堆容器下部的轴对称模型如图3(3)，它包括主容器和保护容器筒体的下段、上支承环、下支承环、裙座以及部分混凝土基础，
筒体长度取到大于5Rt。

温度场计算时对堆容器三个部分的轴对称模型输入环境温度、对流换热系数和释热率。

上部模型上端截面输入外部环境温度和对流换热系数，下端截面绝热；中部模型上端截面和下端截面绝热；下部模型上端截面绝热，下端的混凝土基础与空气接触的面输入外部环境温度和对流换热系数，其它3个面输入温度20℃。

热应力计算时3个模型的下边界Y方向位移为零，X方向自由。

图3(1)堆容器上部轴对称模型图3(2)堆容器中部轴对称模型图3(3)堆容器下部轴对称模型3.2 锥顶盖三维元模型
由于锥顶盖上分布有较多的管道系统，为了计算锥顶盖及其上接管的温度场和热应力，建立锥顶盖的三维实体元模型(热单元solid90-结构单元solid95)。

锥顶盖三维元模型的坐标原点在中轴上，X轴
沿径向，Y轴竖直向上，在锥顶盖对称面中，X、Y、Z轴成右手系。

根据锥顶盖结构关于YOX平面的对称性，建立锥顶盖二分之一结构的三维实体元模型一如图4(1)。

用该模型来计算锥顶盖及其上接管在不同工况下各时间点的温度场，从中选出温度梯度变化最大和最小的温度分布，计算其热应力分布。

温度场计算时输入外部环境温度、对流换热系数和释热率，筒体下端面绝热，对称面绝热；热应力计算时XOY平面上Z向位移为0，下端Y向位移为0，下端面一点X向位移为0。

模型一提供了锥顶盖上10个时间点的温度场，为了更准确计算各接管的热应力，建立锥顶盖上接管壁厚最大和最小的接管区域的三维模型二如图4(2)，细化网格计算。

根据模型一的计算结果，模型二只计算温度梯度最大和最小的情况，模型二的边界条件由ANSYS建立子模型的功能，直接从模型一温的计算结果读取。

由于提升机导管区域的形状比较特殊，因此要单独计算。

建立该区域的三维模型如图4(3)，细化网格计算，根据模型一的计算结果，模型三只计算温度梯度最大和最小的情况，模型三的边界条件直接从模型一温的计算结果读取。

图4 锥顶盖结构的三个三维实体元模型
3.3 裙座模型
为了计算裙座在温度载荷和重量载荷作用下的应力，建立裙座的三维实体元模型(热单元solid90-结构单元solid95) 如图5。

裙座上计开有10个孔：裙座与堆坑连接处沿周向均布6个R20的孔，距堆
坑750mm高度上每120 分布1个φ580⨯40的孔，距堆坑350mm高度上在z轴线上有1个φ360⨯40的
孔。

温度场计算时裙座上端面的温度分布从轴对称模型温度场的计算结果中读取，输入裙座内侧和外侧保温层的环境温度和对流换热系数，混凝土基座的上表面输入外界环境温度和对流换热系数，其它3个面输入温度为20℃。

热应力计算时裙座上端位移从轴对称模型的计算结果中读取，混凝土下端面X、Y、Z向位移为0。

图5 裙座的三维实体元模型图6堆容器上部轴对称模型某一时间点的温度场和热应力计算结果
4 计算结果和结语
对于温度载荷，一般计算的设备较少涉及，核二三级设备通常不要求考虑温度变化，一般在材料参
数中反应即可，对个别要求考虑的设备，通常采用热工计算的温度场。

但CEFR堆容器属于核安全一级设备，必需考虑温度变化和热应力，而且堆容器模型众多，结构复杂，需要计算的时间点多，每一个模型都有几万个网格、几十万节点，与热工存在接口问题。

在此情况下，跨专业共同计算温度场不失为一条好途径：由热工专业提供温度边界条件，利用力学程序与热工程序同时计算温度场，在力学计算的温度场得到热工确认的情况下，力学直接输入自己的温度场计算热应力。

温度场和热应力的计算过程较为复杂，CEFR堆容器的模型众多，需要计算的时间点多，温度场和热应力的计算结果数据庞大，不再一一列出。

图6给出了堆容器上部轴对称模型某一时间点的温度场和热应力计算结果，以供参考。

CEFR堆容器温度场和热应力计算，作为CEFR堆容器应力强度计算和评定工作的一部分，涉及了等效热导率、变参数输入、用ANSYS计算温度场和热应力等问题。

本报告作为对这一工作的概括性总结，仅介绍了CEFR堆容器温度场和热应力计算的主要过程，并有重点的对部分内容进行了简洁明了的说明。

参考文献：
[1] 美国机械工程师协会，《ASME规范》第II卷D篇《材料》，1995。

美国机械工程师协会，《ASME规范》第三卷NB分卷，1995。

美国机械工程师协会，《ASME规范》第三卷NC分卷，1995。

美国机械工程师协会，《ASME规范》第三卷NCA分卷，1995。

[2]《核电厂抗震设计规范（GB50267—97）》，国家地震局，中国计划出版社，1998。

[3]《核安全导则汇编》，国家核安全局，中国法制出版社，1998。

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[5]《典型工况下中国实验快堆堆容器一次应力和二次应力的计算与评定—对俄罗斯堆容器温度场计算报告可用性的基本评估》，杨福昌，CEFR内部报告，2001。

[6]《有限单元法基本原理和数值方法》，王勖成、邵敏，清华大学出版社，1997。

[7]《中国实验快堆设计瞬态的确定和分析大纲》，杨红义，CEFR内部报告，2001。

[8]《典型工况下中国实验快堆堆容器一次应力和二次应力的计算与评定—堆容器支撑裙开孔补强方案设计》，鲍扬名，CEFR内部报告，2002。

[9]《堆容器温度场计算CEFR01-00-00PP》，俄罗斯联邦原子能部，1996。

The TEMP and thermal stress calculate for the main ressel of CEFR
Yu Huajin
China experiment fast reator of CIAE,Beijin,102413
Abstract： The main vessel is the core components of CEFR. According to ASME,The TEMP and thermal stress calculate mst be done for the assessment of the stress intensity. The report use ANSYS program and change parameter and sect model in it offer the thermal stress result for the assessment of the stress intensity。

Key words：stress intensity. Assessment. TEMP. Thermal stress.
作者简介：余华金，1977年出生，助理工程师，在读研，现从事反应堆结构力学专业，1999年毕业于哈尔滨工程大学工程力学专业。