Ansys的高温气冷堆反应堆压力容器运用范文

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Ansys的高温气冷堆反应堆压力容器运用

摘要：国家科技重大专项第四代堆型高温气冷堆反应堆压力容器（以下简称“RPV”）是目前所有核电中外形尺寸和重量最大的压力容器，其吊装需要专用的翻转工装。通过ansys软件对工装进行有限元分析，能够满足RPV翻转需要，增加了RPV的运输、翻转和起吊过程的顺畅性。

关键词：高温气冷堆；反应堆压力容器；翻转工装；有限元

高温气冷堆核电站示范工程是世界上第一座具有第四代核能系统安全特征的200MW级高温气冷堆核电站，是国家16个重大专项之一。高温气冷堆RPV吊装是项目建设的关键施工作业之一。RPV外形结构不同于以往核电，其筒体净重594t，外径6.376m，全长27.505m，重量和尺寸为目前核电项目中最大的压力容器。仅用吊车和吊具无法完成RPV从出厂至反应堆舱室就位工作，还需要必要的工装，使RPV由卧式水平翻转至竖立状态，在RPV吊装过程中起着重要作用。结合RPV的外形结构尺寸和重量等参数，翻转工装采用弧形翻转钢结构设计，主体结构采用H型钢进行制造，总长13m。将RPV与翻转工装装配一起并采用钢丝绳固定为一体后进行整体翻转至竖直状态，如图1所示。

1RPV翻转工装分析思路和参数选择

1.1力学分析思路

在RPV和工装翻转的过程中，以RPV水平0°及RPV完全竖直90°为两个极限位置，并在RPV从水平到竖直的整个翻转过程中，从0°～90°按18°等分为6个位置作为计算点，并对其进行基于Ansys的有限元分析，估计判断RPV最大应力发生的位置及数值。

1.2参数选择

本文以软件Ansys为工具，实现RPV有限元自动分析，提高了分析工作效率。RPV整体结构的主体部分材质为SA508，钢结构材质为Q390A，因此本文采用SOLID45单元模拟RPV的结构，取翻转工装材料和RPV本体的弹性模量E=2.12×1011N/m²，泊松比m=0.288，密度ρ=7860kg/m³。

2有限元建模和网格划分

2.1有限元建模

采用在Ansys建模过程中经常采用的自底向上（即点-线-面-体）的建模方式，由低级图元逐层形成高级图元的建模过程，并对模型做了基本简化。

2.2有限元划分网格

对RPV主体结构采用Ansys的高级网格划分技术——扫略网格划分方法，对部分无法进行扫略网格划分的结构进行自由网格划分，划分后的网格模型如图2所示。

3有限元分析

根据1.1节6个位置，应用软件Ansys对翻转工装进行有限元分析计算，判断其最大应力出现的位置和最大应力值。在翻转的过程中，RPV本体自身重力是工装所承受的最主要载荷，起重机吊装产生的牵引力用位移约束代替，对某一具体位置下翻转工装与地面相接处的面在垂直方向的位移进行约束，避免其在垂直方向的运动。

3.1初始位置（位置1，RPV水平放置）

当RPV水平放置时，最大应力出现在RPV最前端支撑处，最大值为61.574MPa，变形量为2.737mm，如图3所示。

3.2RPV和翻转工装从水平翻转到垂直状态

翻转过程中从位置18°到位置90°，5个计算点进行有限元静力学分析，判断最大应力出现的位置及数值。RPV此时在大吊车提升作用下进行翻转，对工装的压力小于其本体重量，但为施工安全考虑，工装所受RPV作用力取RPV本体重量，翻转工装18°位置等效应力云图如图4所示。经过计算，6个位置的最大等效应力及位置见表1。工装最大应力243.009MPa，小于Q390A许用应力极限275MPa（屈服极限390MPa/安全系数1.42），满足《钢结构设计规范》附录A的要求，因而经有限元分析该翻转工装可以满足翻转受力强度要求。

4结语

基于经典的大型有限元分析软件Ansys对核电站RPV翻转钢结构工装的受力状况进行了分析，选择了RPV在翻转过程中的几种典型工况，对翻转工装结构进行有限元分析，并对计算结果进行了比较，计算结果表明，集中应力均小于材料的许用应力，RPV翻转工装的设计是合理的，采用此工装进行RPV翻转吊装是可行的。