核电站主设备翻转抱环有限元分析

李　豪，白朝阳，赵　哲，赵丽杰，魏　兴，商　伟

（1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁 大连 116025；2.巨力索具股份有限公司，河北 保定 071000）

0　引言

压力容器（RPV）、稳压器（PZR）、蒸汽发生器（SG）等核电站主设备均是一级安全设备，主设备的安装是核电站建设的关键里程碑。主设备上还含有管嘴、管座、密封面等易损部件和结构，主设备的安装首先要保证其安全，因此，主设备安装的专用工具关系着主设备的安全和核电站建设的进度。主设备的翻转竖立是安装过程中的重要一环，翻转抱环的设计计算起着至关重要的作用。某核电站采用我国拥有完全自主知识产权的三代核电技术“华龙一号”，根据施工方案，安装过程中拟采用翻转抱环等工具对主设备进行翻转竖立。翻转竖立过程中，翻转抱环的强度、刚度能否满足要求关系着主设备的安全。本文利用有限元分析软件，根据实际工况对翻转抱环进行强度和刚度分析，为主设备的翻转竖立提供可靠的依据。

1　主设备吊装翻转方案

主设备压力容器、稳压器、蒸汽发生器均为圆筒形结构，基本参数见表1.

表1　主设备基本参数

主设备翻转和吊装过程中用到的辅助工具有：环吊连接工具、提升索具、翻转抱环、翻转支架等。作业过程如下：环吊连接工具上部与起重设备连接，下部与主设备本体连接。主设备翻转抱环的耳轴坐落在翻转支架的U型支座内，为翻转操作提供翻转轴线，通过起重设备的移动和起升作业将主设备从卧式状态翻转至竖直状态，然后将其吊运至安装位置。压力容器、稳压器、蒸汽发生器翻转作业分别如图1、图2、图3所示。

图1　压力容器翻转竖立示意图

图2　稳压器翻转竖立示意图

图3　蒸汽发生器翻转竖立示意图

2　翻转抱环载荷计算

2.1　翻转抱环简介

压力容器、稳压器、蒸汽发生器主设备的翻转抱环都相似，现以蒸汽发生器翻转抱环为例进行说明。如图4所示，翻转抱环由两个半抱环体通过螺栓装配而成，半抱环体由钢板焊接而成，螺栓为自制高强螺栓。在主设备翻转过程中，主设备的自重载荷被起重设备和抱环与本体产生的摩擦力来承担。在翻转抱环与主设备本体之间设置有橡胶垫，既能增大翻转抱环与主设备本体的摩擦力，又能起到保护主设备的作用。

图4　翻转抱环连接示意图

2.2　载荷计算

翻转抱环与主设备的摩擦力由连接螺栓的预拉力产生，摩擦力的大小取决于螺栓预拉力的大小[1]。有限元计算时，翻转抱环承受的载荷包括两部分：由螺栓预拉力产生的抱环内圆柱面压强和摩擦力。

抱环内圆柱面压强可通过下式计算：

P=2nF/A

式中：P为翻转抱环内圆柱面压强；n为单侧螺栓数量；F为单个螺栓预拉力；A为翻转抱环与主设备的接触面积，等于抱环内径与高度的乘积。

抱环产生的摩擦力可通过下式计算：

Fμ＝ μPπA

式中：μ为摩擦系数。

3　有限元计算与结果分析

3.1　工况说明

压力容器、稳压器、蒸汽发生器等主设备在翻转过程中，都是有上部环吊连接工具和翻转抱环同时受力。在主设备竖直姿态时理论上也是上下同时受力，但在主设备翻转到铅垂位置的瞬间，有向前摆动的现象，此时靠观测很难判断垂直状态，存在着不安全因素，有可能出现瞬间主设备自重全由翻转抱环承受的情况。因此，计算翻转抱环的极限工况即可，即主设备在竖直姿态时，主设备自重全由翻转抱环内圆柱面的摩擦力承受。

3.2　有限元模型说明

安装主设备翻转方案，用ANSYS软件对翻转抱环进行有限元建模。建模时遵循以下原则：

（1）翻转抱环主要由钢板和圆钢组成，采用板单元shell63和实体单元solid45建模。

（2）各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置来确定；

（3）焊缝按结构连接处理，忽略小的倒角。

主设备翻转抱环计算以蒸汽发生器为例进行计算说明，有限元模型如图5所示。

图5　蒸汽发生器翻转抱环有限元模型

3.3　边界条件设置

边界条件的设置包括约束和载荷施加两部分。

约束：由于翻转抱环的耳轴坐落在翻转支架的U型支座内，所以在两个耳轴上施加位移约束。

载荷施加包括翻转抱环内圆柱面的面载荷和蒸汽发生器自重载荷两部分。

面载荷为：

蒸汽发生器自重载荷为：

式中：m为蒸汽发生器质量（包括其相关附属装置），m=510 t；

抱环产生的摩擦力为：

可知，抱环产生的摩擦力远大于蒸汽发生器自重载荷，所以按照上述载荷施加是安全、可行的。

在模型中，面载荷施加在翻转抱环内圆柱面上，蒸汽发生器自重载荷施加在内圆柱面相应的节点上。

3.4　计算结果

按照以上有限元模型及边界条件对蒸汽发生器翻转抱环进行有限元分析计算，应力、位移云图如图6、图7所示。

图6　蒸汽发生器翻转抱环应力云图

图7　蒸汽发生器翻转抱环位移云图

从上述图表中的数据可以看出：

（1）翻转抱环最大应力为230.13 MPa，小于翻转抱环材料（Q345B）的许用应力[2，3]，故翻转抱环强度满足要求；

（2）翻转抱环最大位移18.44 mm，为弹性位移，故翻转抱环变形均满足要求。

综上，根据有限元计算分析结果，翻转抱环满足主设备的安装要求。

4　结束语

本文从核电站主设备的吊装方案出发，提出了翻转抱环计算方法，并采用有限元法建立计算模型，通过对不同工况的模拟计算，得出翻转抱环的应力、位移、稳定性系数等结果。结果显示，翻转抱环能满足主设备翻转竖立过程中的强度、刚度、稳定性要求，这为核电站主设备的安全安装提供了计算依据。