基于GB 150—2011设计的冷却器疲劳分析

高永建，张 明，赵飞云，陈健华

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

0 引言

承压设备在服役条件下，由于间断操作和开停工、温度变化、运行工艺压力波动以及外加载荷的反复变化等原因，使其承受交变载荷的作用，往往会发生疲劳破坏。据统计，承压设备破坏事故中有40% ～50%的事故是由疲劳裂纹引起的［1］。世界上最早出现的压力容器疲劳设计规则出现于ASME BPVC － Ⅲ［2］和 ASME BPVC － Ⅷ －2［3］，其设计方法是以LANGER的研究成果为基础的［4－5］。我国通过借鉴ASMEBPVC － Ⅷ －2等规范的相关章节，编制了分析设计标准JB 4732—1995［6］，其中包括疲劳设计的内容。

某核电厂控制棒驱动机构(Control Rod Drive Mechanism，简称CRDM)冷热态试验台架是提供与反应堆温度、压力、介质、控制棒行程及驱动提升负荷相同的运行环境，进行CRDM验证性试验的装置。该试验装置主要包括:稳压器、冷却器、加压泵、管道加热器、试验本体、管道、阀门等。其中冷却器设计遵循的设计标准为 GB 150—2011［7］，由于冷却器在设计寿命期间将承受压力和温度的循环载荷，因此需考虑其发生疲劳失效的可能性［8－9］。GB 150.1—2011 的 4.3.1 节规定:对于有成功使用经验的承受循环载荷的容器，经设计单位技术负责人批准，可按本标准进行设计，并按JB/T 4732—1995附录C补充疲劳分析和评定。

文中应用ANSYS有限元软件建立冷却器的局部三维有限元模型，并根据JB/T 4732—1995(2005年确认)［10］附录C的相关规定进行疲劳分析和评定，为保证冷却器在设计寿命内的结构完整性提供依据。

1 有限元模型

1.1 几何结构和材料

文中分析的冷却器属于套管式换热器，管侧走回路水(除盐水)，设计压力17.2 MPa，设计温度350℃;壳侧走冷却水(自来水)，设计压力0.6 MPa，设计温度 100 ℃，属于Ⅰ类压力容器［11］。冷却器结构见图1。

图1 冷却器结构示意

主要受压元件材料为0Cr18Ni9(S30408)，该材料的物理性能参数见表1，设计疲劳曲线取自JB/T 4732—1995(2005年确认)附录C图C－2，如图 2 所示［9］。

表1 0Cr18Ni9(S30408)的物理性能参数

图2 温度不超过425℃和Sa＞194 MPa的奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线

1.2 有限元模型

根据冷却器的结构特点，平盖与传热管之间的焊缝及其附近区域为应力集中部位，为最大峰值应力强度所在区域，最有可能发生疲劳失效。以该部位为中心，划定周边相关区域为分析对象，应用ANSYS程序建立三维几何实体模型(见图3)和三维有限元模型(见图4)。结构分析采用三维实体单元Solid 45，热分析采用热单元Solid 70，模型共计33319个单元，并对重点分析部位即平盖与传热管之间的焊缝及其附近区域进行网格细化处理。

结构分析的位移边界条件:在传热管弯管的端部、连通管的端部及筒体的端部施加位移对称边界，在支撑管的端部一节点处施加X向的位移约束。内压加载于传热管的内表面，并在其一侧端部施加由内压引起的轴向应力。

图3 冷却器三维实体模型

图4 冷却器有限元模型

热分析时不考虑传热管内壁的对流传热，直接将瞬态温度加载至内壁节点处，同时，除内壁以外，其他表面考虑为绝热边界。

2 设计瞬态

冷却器的设计瞬态如表2所示。

表2 冷却器的设计瞬态

为简化疲劳分析，首先对表2所列设计瞬态做合并处理，将工况1～3合并为水压试验瞬态，循环次数为1800次，其瞬态曲线见图5;将工况4～7合并为性能试验瞬态，循环次数为1800次，其温度和压力瞬态曲线分别见图6，7。

图5 水压试验瞬态曲线

图6 性能试验温度瞬态曲线

图7 性能试验压力瞬态曲线

同时，考虑到工况4的压力波动幅度较大(达到8 MPa)，次数较多(12次)，而基于雨流法原理的ANSYS疲劳分析模块不会将12次的压力波动均计入疲劳累积，因此，文中将工况4单独作为一个瞬态处理，定义为压力波动瞬态，循环次数扣除性能试验瞬态已计入的1800次后为:1800×12－1800=19800次，其瞬态曲线见图8。

图8 压力波动瞬态曲线

3 分析方法与结果评定

根据JB/T 4732—1995(2005年确认)的表5－1，按疲劳设计的容器需要依次校核一次总体薄膜应力强度SⅠ，一次局部薄膜应力强度SⅡ，一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ，一次加二次应力强度SⅣ和峰值应力强度SⅤ。考虑到一次应力强度(SⅠ，SⅡ，SⅢ)已在设备强度计算书中校核，故本文仅需对一次加二次应力强度SⅣ和峰值应力强度SⅤ进行评定，其中SⅣ评定是为了保证结构的安定性;SⅤ评定是为了防止结构的疲劳破坏。另外，疲劳评定需满足 JB/T 4732—1995(2005年确认)附录C的规定。

在平盖与传热管之间的焊缝及其附近区域按周向不同角度确定应力评定截面，每个角度所在位置设置5个评定路径，共计15个，具体如图9，10所示(图中ASN(Analysis Section Number)代表分析截面编号)。

一次加二次应力强度SⅣ评定结果见表3，SⅣ的评定限值为3Sm

［10］，其中 Sm(设计应力强度)为正常工作循环时最高与最低温度下材料Sm的平均值。文中Sm保守取为0Cr18Ni9(S30408)在设计温度350℃下的设计应力强度(111 MPa)［10］，表3所列的一次加二次应力强度SⅣ均小于评定限值 3Sm(333 MPa)，因此 SⅣ评定满足 JB/T 4732—1995(2005年确认)的要求。

图9 应力评定截面 (ASN 1～ASN 5，ASN 11～ASN 15)

图10 应力评定截面(ASN 6～ASN 10)

累积疲劳使用系数U的计算过程与一次加二次应力强度的计算过程相似，不同的是在评定位置处采用总应力强度(一次加二次应力加峰值应力)进行计算。文中根据 JB/T 4732—1995(2005年确认)附录C的相关规定，利用ANSYS软件的疲劳分析模块对每条路径的内外壁的累积疲劳使用系数 U进行计算，需要指明的是，JB/T 4732—1995(2005年确认)附录C的C.4规定:用于疲劳分析的角焊缝疲劳强度减弱系数取4.0。文中作疲劳分析时，据此考虑了4.0的疲劳强度减弱系数。疲劳计算结果如表4所示，可以看出，所有累积疲劳使用系数U均小于1.0的评定限值，满足JB/T 4732—1995(2005年确认)的要求。

表3 一次加二次应力强度值 MPa

表4 累积疲劳使用系数U

4 结语

应用ANSYS有限元软件建立冷却器的局部三维有限元模型，根据设计瞬态的特点对其进行合并与分组，在最大峰值应力强度所在区域设置评定截面，并根据 JB/T 4732—1995(2005年确认)附录C的相关规定进行疲劳分析和评定，评定结果表明:冷却器设计符合JB/T 4732—1995(2005年确认)附录C对防止疲劳失效的要求。文中分析为保证冷却器在设计寿命期间的结构完整性提供依据，也为其他设备在类似瞬态工况下的疲劳分析提供借鉴。

［1］张康达.锅炉压力容器的疲劳失效［M］.北京:劳动人事出版社，1988:1－5.

［2］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，SectionⅢ——Rules for Construction of Nuclear Facility Components［S］.

［3］ASME Boiler and Pressure Vessel Code，Section Ⅷ Division 2——Rules for Construction of Pressure Vessels，Alternative Rules［S］.

［4］LANGER B F.Design of Pressure Vessels for Low －Cycle Fatigue［J］.Journal of Basic Engineering，1962，84(3):389－399.

［5］LANGER B F.Criteria of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code for Design by Analysis in SectionsⅢandⅧ，Division 2［R］.Published by the ASME，1969.

［6］JB 4732—1995，钢制压力容器——分析设计标准［S］.

［7］GB 150—2011，压力容器［S］.

［8］李培宁.当代压力容器疲劳设计规范评述［J］.压力容器，1989，6(4):1 －10.

［9］王志文，惠虎，关凯书，等.对中国压力容器分析设计标准的发展展望［J］.压力容器，2013，30(3):37－44.

［10］JB/T 4732—1995，钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认)［S］.

［11］TSG R0004—2009，固定式压力容器安全技术监察规程［S］.