屏蔽电机主泵双金属飞轮飞射物对承压边界完整性破坏作用

唐旭，张继革，王德忠

屏蔽电机主泵双金属飞轮飞射物对承压边界完整性破坏作用

唐旭，张继革，王德忠

（上海交通大学，上海 200240）

掌握反应堆冷却剂泵双金属飞轮飞射物对承压边界完整性的影响规律。基于ANSYS/LS-DYNA对飞轮保持环失效后钨合金块与承压边界的碰撞过程进行分析，模拟承压边界在重要因素（电机壳厚度、钨合金块数）的影响下对飞轮飞射物的包容过程。在保持飞射物入射初速度不变的情况下，当电机壳厚度小于118 mm时，发生非包容性失效。改变钨合金块数（4、8、12、16块），可以发现钨合金块数越多，飞射物对承压边界施加的破坏能量就越小。增加电机壳厚度、钨合金块数有利于承压边界能够很好地包容住所有飞射物。该研究成果对屏蔽电机主泵惰转飞轮的可靠性设计具有重要意义。

屏蔽电机主泵；双金属飞轮；包容性分析；承压边界完整性

反应堆一回路中，核主泵作为关键部件，推动冷却剂源源不断地流入堆芯，完成在堆芯、冷却剂环路和蒸汽发生器之间的循环。为确保主泵具有足够的转动惯量，设计有大惯量飞轮，飞轮结构如图1所示。飞轮内部由12块高密度钨合金块组成，在钨合金扇形块外热套一定壁厚且具有高强度的马氏体时效钢保持环，并具有足够的过盈量，使得高速旋转状态下钨合金块产生的离心力完全由保持环承受。倘若保持环发生断裂，将会产生具有较大能量的飞射物碎片，对主泵的承压边界（如电机壳）产生重大冲击。如果承压边界对飞射物碎片不能很好地包容，会造成严重的辐射泄漏等重大核事故[1]。

图1 飞轮结构

从研究对象和过程看，飞轮飞射物包容问题与航空发动机机匣包容问题具有很大的相似性。针对转子碎片包容问题，在航空机匣包容领域已经有了很深的积累，并且有了系统的评定准则[2-5]，但针对大型屏蔽电机主泵双金属飞轮破损后飞射物与承压边界的碰撞问题，国内外未见相关文献报道。美国核管会管理导则RG 1.14—1975规定，当承压边界任意一点发生侵彻穿透时，即认为发生了非包容性失效。为了充分认识反应堆冷却剂泵双金属飞轮飞射物对承压边界完整性的影响规律，文中基于ANSYS/LS- DYNA[6-8]对飞轮保持环失效后钨合金块与承压边界的碰撞过程进行分析，模拟了承压边界在重要因素（电机壳厚度、钨合金块数）的影响下对飞轮飞射物的包容过程。

1 材料模型

由于飞轮保持环破碎后，钨合金块与包容边界的相互作用为高应变率、大变形、温度急剧升高的冲击过程，因此选用Johnson-Cook材料模型[9]，应力方程为：

断裂应变方程为：

表1 Johnson-Cook材料模型参数

2 数值计算可靠性验证

参照文献[10]中三次圆盘碎片撞击圆筒体试验结果，对文中计算方法的可靠性进行验证。圆盘碎片和圆筒体的材料都是45#钢，将圆盘碎片设置为刚体，圆筒体输入45#钢 Johnson-Cook材料模型参数，得到三次仿真结果与试验结果的对比，如图2所示。数值计算结果显示，壁厚4 mm的圆筒壁发生穿透失效，壁厚8 mm的圆筒体能完好地包容住圆盘碎片，与试验结果基本相同。由于壁厚6 mm的圆筒壁处于临界包容状态，故数值计算结果与试验结果有差异。由于数值计算结果与文献中试验结果基本一致，所以文中所采用的数值计算方法是可靠的。

3 有限元模型

在屏蔽式电机主泵飞轮中，保持环将12个钨合金块固定在内轮毂上。当飞轮保持环破碎时，假设钨合金外侧已经没有保持环包围，忽略保持环破碎所产生的碎片，该计算结果更为保守。采用六面体八节点单元进行网格划分，12块钨合金块包含9792个单元，电机壳包含200 000个单元，有限元模型如图3所示。

钨合金块内径为293 mm，外径为430 mm，轴向高度为408 mm，设置为刚体。参数选取：密度为18 500 kg/m3，弹性模量为3.65×1011Pa，泊松比为0.285，屈服应力为1.3×109Pa。电机壳内径为970 mm，材料模型取Johnson-Cook模型。为了便于从公开文献中获得仿真所需的Johnson-Cook模型的材料参数，选用1006钢作为电机壳材料。钨合金块与电机壳的静摩擦系数取0.15，动摩擦系数取0.1。

图2 仿真结果与试验结果对比

图3 有限元模型

文献[13]指出，在超速事故工况下，获得飞轮发生非延性断裂转速为6600 r/min。该转速将作为飞轮破碎后的初速度，则每个钨合金块以初速度249.85 m/s沿着切线方向碰撞电机壳。

4 计算结果与分析

4.1 不同电机壳厚度对碰撞的影响

在Workbench中完成建模、网格划分前处理工作后，输出K文件，导入到LS-DYNA进行求解，在后处理器LS-PREPOST中读入计算文件。12个钨合金块与电机壳的碰撞过程及等效应力分布如图4所示。可以看到，当电机壳厚度为100 mm和111 mm时，钨合金块与电机壳碰撞后，电机壳发较大生塑性变形，最终被钨合金块击穿，发生非包容性失效。当电机壳厚度为118 mm时，电机壳处于临界包容状态，虽然部分被撕裂，但钨合金块被成功包容在电机壳内。当电机壳厚度为125 mm时，电机壳未被完全破坏，且成功包容住钨合金块。因此增加电机壳厚度，可以提高电机壳对钨合金块的包容能力。

图4 不同电机壳壁厚仿真结果（von Mises应力单位: kPa）

4.2 不同钨合金块数对碰撞的影响

为了研究不同钨合金块数的飞轮破碎后，钨合金块对承压边界的破坏作用，进一步为飞轮的优化设计提供依据，研究了在相同的破裂转速（6600 r/min）情况下，计算了4、8、16块钨合金的飞轮破碎后，产生的钨合金块与电机壳的碰撞情况。4块钨合金块可以直接击穿200 mm厚的电机壳，250 mm厚的电机壳才能完全包容住钨合金块，如图5所示；8块钨合金块可以彻底撕裂125 mm厚的电机壳，150 mm厚的电机壳可以包容住所有钨合金块，如图6所示；16块钨合金块被完全包容在厚度为105 mm的电机壳内，尽管此时电机壳部分被撕裂，处于临界包容状态，而110 mm厚的电机壳可以完好无损地包容住钨合金块，如图7所示。由此可得，随着钨合金块数的增多，电机壳所需包容住钨合金块的临界厚度也随之减小。

4.3 综合分析

综合考虑电机壳厚度、钨合金块数量两个因素，将上述仿真结果反映到图8中。由图8可以看到，随着钨合金块数量的增加，电机壳所能包容钨合金块所需的临界厚度也随之减小。同时增加电机壳厚度，可以有效增加电机壳对钨合金块的包容能力。

5 结论

文中应用ANSYS/LS-DYNA对飞轮保持环失效后钨合金块与承压边界的碰撞过程进行分析，模拟了承压边界在重要因素（电机壳厚度、钨合金块数）的影响下对飞轮飞射物的包容过程，获取了在不同电机壳厚度、钨合金块数下，电机壳对飞轮飞射物的包容结果。

1）在保持飞射物入射初速度不变的情况下，增加电机壳厚度可以提高承压边界对飞轮飞射物的包容能力。当飞轮设计为12块钨合金块，破裂转速为6600 r/min（飞射初速度为249.85 m/s）时，电机壳包容临界厚度为118 mm；当电机壳厚度为111 mm时，则发生非包容性失效。

图5 4块钨合金块与电机壳碰撞情况（von Mises应力单位: kPa）

图6 8块钨合金块与电机壳碰撞情况（von Mises应力单位: kPa）

图7 16块钨合金块与电机壳碰撞情况（von Mises应力单位: kPa）

2）飞轮钨合金块的数量越多，则飞轮破碎后所产生的飞射物对承压边界施加的破坏能量就越小，即电机壳的临界厚度越小。当飞轮设计为16块钨合金块，破裂转速为6600 r/min（飞射初速度为249.85 m/s）时，电机壳包容临界厚度为105 mm，比包容12块钨合金块飞轮的电机壳临界厚度薄13 mm。

图8 钨合金块与电机壳碰撞结果

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Destructive Effect on Integrity of Pressure-retaining Boundary Imposed by Bimetal Flywheel Missiles in the Canned Motor Pump

TANG Xu, ZHANG Ji-ge, WANG De-zhong

(Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China)

To grasp the influencing rule of the destructive effect on integrity of pressure-retaining boundary imposed by bimetal flywheel missiles in the reactor coolant pump.This paper analyzed the impact between tungsten alloy block and pressure-retaining boundary (motor casing) after the failure of the flywheel retaining ring by ANSYS/LS-DYNA, and simulated the process that the boundary contains the flywheel missiles under different conditions (the thickness of motor casing, the number of tungsten alloy blocks).The uncontained accidents occur when the thickness of the motor casing was less than 118 mm, with incident velocity being constant. The more number of tungsten alloy blocks, the less destructive energy that the missile put on the boundary could be observed by changing the number of tungsten alloy blocks (4,8,12,16).Increasing the thickness of motor casing and number of tungsten alloy blocks could help the pressure-retaining boundary contain the missiles successfully. The results of this research are of great significance to the reliability design of the canned motor pump inert flywheel.

canned motor pump; bimetal flywheel; containment analysis; integrity of pressure-retaining boundary

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.004

TL327

A

1672-9242(2019)02-0016-06

2018-12-03；

2018-12-14

国家重点基础研究发展计划（2015CB057306）

唐旭（1991—），男，湖南人，硕士研究生，主要研究方向为核电装备力学分析。

张继革（1968—），男，黑龙江人，副研究员，主要研究方向为核电装备力学分析。