海洋条件下两种不同法兰结构反应堆压力容器的密封性能对比研究

张锥

（中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000）

1 前言

反应堆压力容器（RPV）内部包括燃料组件、堆内构件及带有高放射性的高温高压冷却介质。从核安全和环境保护考虑，必须对RPV 进行密封性能分析，以确保它在设计寿命期内正常运行。

对于RPV 的密封结构设计、分析方法及实验，国内外学者做了大量工作。廖家麒、贺寅彪研究了顶盖法兰的锥段、厚度及密封面倾角3 个因素对密封性能的影响；陈骏等分析了2 种不同密封面结构对密封性能的影响；熊光明、郑连纲等建立了热弹塑性三维有限元密封分析方法；李润方、杜雪松等开发了密封分析专用程序；曲家棣、George 等进行了相关密封试验。

目前，这些研究主要基于陆上大型压水堆，甚少涉及海上小型压水堆。为满足海洋条件下小堆RPV 密封性能和海洋平台空间限制的要求，设计了2 种不同法兰结构和尺寸的RPV。本文采用三维有限元分析方法，并基于ANSYS 开展了RPV 密封性能对比研究，得到了RPV 上下法兰内外环轴向分离量、主螺栓载荷等密封性能评价关键指标，用于评估不同法兰结构设计对RPV 密封性能的影响，为海上小堆RPV 密封结构设计提供理论指导。

2 结构设计

RPV 密封结构主要由顶盖法兰、容器法兰、主螺栓及密封面结构等部件组成。其密封是通过主螺栓的拉伸使上下密封面处产生足够的压紧力来压紧双道密封槽中的密封环来实现。不同结构设计会导致密封结构不同的刚度分布，从而产生不同的变形形态，对RPV 的密封性能产生重要影响。

依据相同的设计输入和通用核容器设计规范，设计了两种不同法兰结构形式的RPV 密封方案，如图1 和图2 所示。除法兰结构形式外，两种方案的顶盖厚度、筒体厚度、法兰厚度、密封面结构均相同。在顶盖法兰密封面加工一个α 斜面，可在螺栓预紧力不变的情况下减少密封分离量，有利于密封。密封面结构设计如图3 所示，其中α 值和斜面起始点位置通过结构优化设计得到。两种密封设计方案主要参数如表1 所示，相比RPV 1，RPV 2 的螺栓中心圆直径、法兰外径均较小，需要的螺栓数量和螺栓紧固力也较小。

表1 两种设计方案参数对比

图1 RPV 1 密封结构

图2 RPV 2 密封结构

图3 密封面结构设计

3 密封分析

3.1 分析模型

将上封头开孔区通过折减弹性模量的方法等效为无孔区，忽略上封头其他附件的影响；忽略进出口接管的影响；“C”形密封环用非线性弹簧单元进行模拟，可较好模拟密封环的压缩回弹曲线。考虑到结构及载荷的对称性，沿RPV 轴向取包括半根螺栓的对称结构建立三维有限元分析模型，如图4 和图5 所示。

图4 RPV 1 有限元模型

图5 RPV 2 有限元模型

3.2 热分析

本文采用基于ANSYS 的热固间接耦合分析方法，即先进行热分析，然后再进行结构分析。为便于对比分析，2 种分析模型采用相同的载荷及边界条件。

在冷却剂与堆焊层内壁面的接触区域设置对流换热系数，施加启堆、正常运行和停堆瞬态下的升降温温度载荷。为便于分析，3 种瞬态合并成一条瞬态曲线进行计算，并保证正常运行的时间足够长。模型外壁面保守做绝热处理；考虑螺栓垫片与螺栓及顶盖法兰之间、上下法兰密封面之间的接触传热；在顶盖法兰螺栓孔与螺栓之间设置空气单元，考虑空气对传热的影响。

由计算结果可以看到，主螺栓在整个瞬态过程中相对顶盖法兰和容器法兰存在明显的温度滞后，两种方案各部件的温度对比情况如图6 和图7 所示，主螺栓的温度滞后对比情况如图8 所示。

图6 RPV 1 温度对比情况

图7 RPV 2 温度对比情况

图8 2 种RPV 主螺栓温度滞后情况对比

3.3 结构分析

结构分析与热分析采用相同的有限元网格，但不考虑空气单元。结构分析时，将热单元转换为结构单元。热分析得到的瞬态温度载荷，以体载荷的形式施加在结构单元上。同时考虑瞬态压力载荷、螺栓预紧载荷、海洋载荷及其他机械载荷，其中海洋载荷由主系统分析得到，并作用于RPV 上。

在ANSYS 中采用PRETS179 单元模拟主螺栓的预紧及在整个升降温瞬态过程中的螺栓载荷。

在螺栓垫片与螺栓及顶盖法兰之间、上下法兰密封面之间设置接触，允许接触面间的相对滑移，并考虑摩擦对接触的影响。在RPV 顶盖左侧端部施加水平方向位移约束，在周向的两个外侧面施加对称约束，在模型的底部施加竖直方向位移约束。

由计算结果得到，2 种方案内外环轴向分离量时程数据对比、主螺栓载荷时程数据对比分别如图9 和图10所示。并提取了最大内外环轴向分离量、主螺栓最大应力及最大平均应力，如表2 所示。

表2 计算结果及对比

图9 2 种RPV 内外环轴向分离量对比

图10 2 种RPV 主螺栓载荷对比

4 结语

基于相同的总体参数及方法，设计了2 种不同结构和尺寸的海上小型压水堆RPV 密封方案，并通过基于ANSYS 的三维有限元方法，得到了评价RPV 密封性能的内外环轴向分离量、主螺栓载荷等关键指标，2 种RPV方案的密封性能均满足要求。

RPV 2 的密封性能优于RPV 1，其中最关键的上下法兰内环轴向分离量的安全裕量提高了13.4%，增加了海上小堆RPV 密封性能的可靠性，且2 种方案螺栓应力差别不大。

RPV 2 的设计尺寸较小，可以为空间限制严格的海上小堆RPV 密封结构设计提供理论指导。