核电站循环冷却机组检修门的数值分析

戴美军， 车小莲， 罗建平， 陈 杰， 刘广平

(浙江金盾风机股份有限公司， 浙江绍兴 312300)

安全壳循环冷却机组用于非能动核电厂安全壳厂房内，为方便检修人员对机组内部各部件进行检查、维护和清洁，在机组箱体底板上设置检修门。检修门位于机组底座的负压段，通常应设计成外开式，以确保机组运行时检修门关闭时的密封性能；而底座下方设置的安装钢梁阻挡了检修门的开启，因而设计了一种新型负压段的内开式检修门。检修门内部通过安装空心O形圈和橡胶条进行密封，检修门关闭后机组箱体最大设计压力约为0.003 MPa，按照设计规范，要求在此压力下机组总漏风量不超过规定限值，因此对检修门密封性能进行分析十分必要。

近年来，使用Ansys Workbench软件进行O形圈的密封性能研究主要集中于针对实心O形圈的非线性分析[1-6]，笔者在此基础上建立了检修门空心O形圈的二维简化有限元模型，研究在空心O形圈不用预压缩位移状态下各接触面的接触压力变化，并将分析结果与检修门静力学分析相结合，验证检修门在接触压力、介质压力及地震组合载荷的作用下，是否引起结构失效。

1 模型建立

1.1 二维有限元模型

检修门简化模型组件主要有门板、底座、空心O形圈、橡胶条等，在检修门底板处设置U形槽(高为10 mm、宽为20 mm)用以放置空心O形圈；橡胶条(宽为30 mm、厚度为8 mm)固定于门板上；空心O形圈(外径为20 mm、内径为8 mm)安装时通过预压缩产生反弹力，从而起到密封效果。空心O形圈的压缩率δ为：

(1)

式中：φ1、φ2分别为空心O形圈的外径和内径，mm；h为底座槽高，mm。计算得出空心O形圈的压缩率约为16.7%。根据相关资料分析：橡胶作为密封件时，其压缩率应为10%～20%，此空心O形圈压缩率满足要求。

由于橡胶材料的高度非线性，且在受压时伴有大位移、大转动和大应变等特性，建立空心O形圈有限元模型时对其提出的假设为：(1)橡胶圈材料拉伸与压缩的蠕变性质相同，且蠕变不引起体积变化；(2)橡胶圈材料具有确定的弹性模量和泊松比，泊松比取接近0.5的常数；(3)忽略温度和时间对橡胶材料的影响；(4)检修门门板组件和底板组件材料的刚度是橡胶圈的几万倍，在检修门的非线性接触分析中，将其视为O形密封圈变形时的约束边界；(5)橡胶圈受到的预压缩视为有约束边界的定向位移，即门板的纵向位移。

在Workbench Geometry中建立检修门密封部件的二维简化轴对称有限元分析模型(见图1)。

图1 检修门二维轴对称有限元分析模型图

研究空心O形圈的密封性能时，其关键在于空心O形圈在外力作用下的整体变化，因而对此空心O形圈采用六面体结构单元，属性设置为Soft。为保证计算结果的精确性，须对空心O形圈及橡胶条的网格进行细化处理；门板组件与底板组件为刚体组件，属性设置为Hard，对其进行网格粗划[7]。

1.2 三维有限元模型

在ProE软件中建立检修门的三维简化建模时，考虑到空心O形圈及橡胶条属于复杂的非线性超弹性材料，在密封时呈现大变形和大位移，为了节省计算时间并保证计算结果的精确性将其简化，简化后其模型见图2。

图2 检修门三维简化模型图

1.3 材料性能

检修门门板组件、底座组件均使用Q345材料，空心O形圈及橡胶条使用氯丁橡胶。Q345材料的力学性能见表1。

表1 Q345材料力学性能

氯丁橡胶材料采用Workbench材料库Hyperelastic Materials中自带的氯丁橡胶材料，并选用Mooney-Rivlin模型[8-10]作为该橡胶材料在大变形下的力学性能。Mooney-Rivlin模型的表达式为：

w=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(2)

式中：w为应变能密度函数；C1和C2为材料Mooney-Rivlin常数；I1和I2为应变张量的不变量。

2 性能分析

对检修门空心O形圈和橡胶条进行密封， O形密封圈保证密封的必要条件为密封界面上的最大接触压力大于或等于介质压力，检修门的密封性能是否有效也就取决于压缩状态下空心O形圈与底板、空心O形圈与橡胶条以及橡胶条与门板组件接触面间的最大等效接触压力是否大于介质压力。

对检修门进行密封性能分析时，首先进行空心O形圈的预压缩分析，得到不同预压缩位移所对应的三个主要接触面上接触压力的变化情况；然后将空心O形圈与底板组件及橡胶条以门板组件间的最大接触压力施加在相应的接触面上，得到检修门各部件在密封接触压力和介质压力同时作用下的等效应力及变形情况，进而验证检修门的密封性能。

2.1 空心O形圈预压缩分析

2.1.1 条件设置

检修门的密封接触涉及空心O形圈与底板组件、橡胶条与底板组件以及空心O形圈与橡胶条之间的接触，设置其接触为Frictional；橡胶条与门板组件之间的接触设置为Bonded。

在检修门门板组件上施加Z轴负方向上的位移约束，以此代替空心O形圈的预压缩。检修门底座组件与机组箱体相连接，故对底座组件的连接面施加固定约束。

2.1.2 结果分析

当空心O形圈完全被压缩时，其预压缩位移为10 mm，此时检修门内各接触面的接触压力及空心O形圈的受压变形结果见图3～图6。空心O形圈发生明显变形，最大等效应力集中于O形圈的内环边界处；O形圈与底座组件的U形槽内部面均有接触，受到接触压力最小的接触面在U形槽右侧。

图3 O形圈等效应力图

图4 O形圈与底板组件接触压力图

图5 O形圈与橡胶条接触压力图

图6 橡胶条与门板组件接触压力图

设置不同的空心O形圈预压缩位移，得到各接触面对应的接触压力变化情况(见图7)。

图7 不同预压缩位移对应的各接触面的接触压力变化图

2.2 介质压力作用下的密封性分析

由于橡胶密封圈材料具有高度非线性[11]，即几何非线性、材料非线性和接触非线性，随着空心O形圈的预压缩，检修门密封接触面上的接触压力分布并不均匀。若以接触界面的最大等效应力均匀施加到门板组件和底座组件上，此时如果检修门接触面上的接触压力大于介质压力，则说明检修门的密封性能是有效的；而且在分析中需要校核检修门各零部件的强度是否满足设计要求。

2.2.1 载荷施加与边界条件

检修门承受的载荷主要有自身重力、空心O形圈的接触压力以及介质压力。在静力学分析中，门板组件与底板组件之间存在的接触设置为Frictionless；底板组件与把手之间的接触设置为No Separation；铰链与铰链之间设置为转动关节；其他零部件之间的接触设置为Bond。

(1) 重力载荷。

重力方向竖直向下，加速度为1.0g(g为重力加速度)；另外，检修门门板组件内部空隙填充玻璃棉，在分析时以质量点的形式施加于门板组件重心处。

(2) 接触压力。

由检修门空心O形圈的预压缩分析结果可知：当预压缩位移为10 mm时，橡胶条与门板组件接触处的最大接触压力为0.026 MPa，施加于橡胶条与门板组件的接触面上；空心O形圈与底座组件有三个方向上的接触，接触压力最大处位于底座U形槽的左侧面，最大值为0.06 MPa，施加于空心O形圈与底座的接触面上。

(3) 介质压力。

MS14机组箱体负压段的最大设计压力为0.003 MPa，在分析时施加于检修门门板组件上，方向为Z轴正方向。

(4) 边界条件。

检修门门板组件通过铰链实现与底座组件的绑定以及检修门的开启和关闭，因而对铰链设置旋转约束，并对底座组件与机组的连接面施加固定约束。

2.2.2 计算结果

检修门在预压缩接触压力与介质压力同时作用下，其分析结果见图8～图17和表2。从分析结果可以看出：检修门出现变形及等效应力最大的部件在把手装置上(位移为0.58 mm，最大等效应力为139.82 MPa(小于 207 MPa)，安全系数为2.47)；铰链及搭扣装置都受到载荷冲击，最大等效应力均在70 MPa以下；门板组件的变形位移为0.62 mm。

图8 门板组件等效应力图

图9 门板组件总变形位移图

图10 底座组件等效应力图

图11 底座组件总变形位移图

图12 把手等效应力图

图13 把手总变形位移图

图14 搭扣装置等效应力图

图15 搭扣装置总变形位移图

图16 铰链等效应力图

图17 铰链总变形位移图

项目门板组件底板组件把手搭扣装置铰链最大等效应力/MPa29.9023.97139.8254.7266.61最大总位移/mm0.620.010.580.550.01安全系数11.5414.392.476.305.18许用应力/MPa207

根据空心O形圈不同预压缩位移对应各接触面的接触压力曲线，可以得出在此位移变形情况下，空心O形圈与橡胶条间的接触压力为0.023 MPa，橡胶条与门板组件间的接触压力约为0.024 MPa，空心O形圈与底座组件接触面的最大接触压力约为0.052 MPa，均大于介质压力。由以上分析可知：安全壳循环冷却机组负压段内检修门的密封性能及各零部件的强度均能满足设计要求。

3 抗震性能校核

按设计要求，在安全停堆地震(SSE)载荷工况下，检修门各部件的最终应力应等于或小于1.6倍许用应力。在检修门的静力学分析中将接触界面的最大等效应力均匀施加到门板组件和底座组件上，因此在分析中只要检修门各零部件的最大等效应力满足设计要求，检修门的强度即符合要求。

3.1 载荷施加与边界条件

在SSE载荷工况下，检修门所承受的载荷主要来自于检修门的自身重力、地震载荷、空心O形圈的接触压力以及介质压力。检修门受到的地震载荷可以以静态载荷等效分析的方式施加于沿重心三个互相垂直的轴线方向上，安全壳循环冷却机组布置在AP1000反应堆厂房(CIS)153′-0″混凝土楼面。楼层反应谱在三个正交方向的峰值加速度见表3。

表3 楼层反应谱的峰值加速度

考虑到不同的振动频率应有有效响应，当量静态载荷的大小为：

Fx=λ×ax×M

(3)

Fy=λ×ay×M

(4)

Fz=λ×az×M

(5)

(6)

式中：λ为静态载荷系数，取1.5；Fx、Fy为水平方向静态载荷；Fz为竖直方向静态载荷；F为当量静态载荷；M为检修门质量。

在Ansys Workbench中设置检修门的当量载荷作用时，将振动加速度以惯性力的形式施加于检修门重心处，其方向以最不利于检修门正常运行工况的条件进行设置。除地震载荷外，其他载荷的施加均与检修门介质压力作用下的载荷施加条件一致。

3.2 计算结果

在空心O形密封圈接触压力、当量静态载荷及外界介质压力等组合载荷的共同作用下，检修门各部件静力分析结果见图18～图27和表4。

图18 门板组件等效应力图

图19 门板组件总变形位移图

图20 底座组件等效应力图

图21 底座组件总变形位移图

图22 把手等效应力图

图23 把手总变形位移图

图24 搭扣装置等效应力图

图25 搭扣装置总变形位移图

图26 铰链等效应力图

图27 铰链总变形位移图

项目门板组件底板组件把手搭扣装置铰链最大等效应力/MPa49.5033.44251.1978.41160.00最大总位移/mm0.710.011.020.700.061.6倍许用应力/MPa331.2

从分析结果可以看出：检修门各组件最大等效应力均小于材料的1.6倍许用应力，说明检修门在机组SSE情况下能够保证结构的完整性，满足设计的要求。

4 结语

笔者通过分析安全壳循环冷却机组在负压段内安装内开式的检修门，运用ProE和Ansys/Workbench软件对检修门内的空心O形圈及整个模型进行数值分析研究，得出以下结论：

(1) 在预压缩和介质压力的同时作用下，空心O形圈与橡胶条间的接触压力、橡胶条与门板组件间的接触压力、空心O形圈与底座组件接触面的最大接触压力均大于介质压力，检修门密封有效；检修门等效应力最大的部件在把手装置上，安全系数为2.47，满足正常运行工况下的设计要求，检修门不会发生永久变形而影响密封性能。

(2) 在检修门的抗震强度校核中，检修门把手装置所受等效应力最大，小于设计允许的1.6倍许用应力，最大变形位移处于检修门允许的弹性变形范围内，能够保证该检修门在SSE载荷工况下结构的完整性。