Ansys高溫氣冷堆反應堆壓力容器翻轉運用范文
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摘要：國家科技重大專項第四代堆型高溫氣冷堆反應堆壓力容器（以下簡稱“RPV”）是目前所有核電中外形尺寸和重量最大的壓力容器，其吊裝需要專用的翻轉工裝。通過ansys軟件對工裝進行有限元分析，能夠滿足RPV翻轉需要，增加了RPV的運輸、翻轉和起吊過程的順暢性。
高溫氣冷堆核電站示范工程是世界上第一座具有第四代核能系統安全特征的200MW級高溫氣冷堆核電站，是國家16個重大專項之一。高溫氣冷堆RPV吊裝是項目建設的關鍵施工作業之一。RPV外形結構不同于以往核電，其筒體凈重594t，外徑6.376m，全長27.505m，重量和尺寸為目前核電項目中最大的壓力容器。僅用吊車和吊具無法完成RPV從出廠至反應堆艙室就位工作，還需要必要的工裝，使RPV由臥式水平翻轉至豎立狀態，在RPV吊裝過程中起著重要作用。結合RPV的外形結構尺寸和重量等參數，翻轉工裝采用弧形翻轉鋼結構設計，主體結構采用H型鋼進行制造，總長13m。將RPV與翻轉工裝裝配一起并采用鋼絲繩固定為一體后進行整體翻轉至豎直狀態，如圖1所示。
1RPV翻轉工裝分析思路和參數選擇
1.1力學分析思路
在RPV和工裝翻轉的過程中，以RPV水平0°及RPV完全豎直90°為兩個極限位置，并在RPV從水平到豎直的整個翻轉過程中，從0°～90°按18°等分為6個位置作為計算點，并對其進行基于Ansys的有限元分析，估計判斷RPV最大應力發生的位置及數值。
1.2參數選擇
本文以軟件Ansys為工具，實現RPV有限元自動分析，提高了分析工作效率。RPV整體結構的主體部分材質為SA508，鋼結構材質為Q390A，因此本文采用SOLID45單元模擬RPV的結構，取翻轉工裝材料和RPV本體的彈性模量E=2.12×1011N/m²，泊松比m=0.288，密度ρ=7860kg/m³。
2有限元建模和網格劃分
2.1有限元建模
采用在Ansys建模過程中經常采用的自底向上（即點-線-面-體）的建模方式，由低級圖元逐層形成高級圖元的建模過程，并對模型做了基本簡化。
2.2有限元劃分網格
對RPV主體結構采用Ansys的高級網格劃分技術——掃略網格劃分方法，對部分無法進行掃略網格劃分的結構進行自由網格劃分，劃分后的網格模型如圖2所示。
3有限元分析
根據1.1節6個位置，應用軟件Ansys對翻轉工裝進行有限元分析計算，判斷其最大應力出現的位置和最大應力值。在翻轉的過程中，RPV本體自身重力是工裝所承受的最主要載荷，起重機吊裝產生的牽引力用位移約束代替，對某一具體位置下翻轉工裝與地面相接處的面在垂直方向的位移進行約束，避免其在垂直方向的運動。
3.1初始位置（位置1，RPV水平放置）
當RPV水平放置時，最大應力出現在RPV最前端支撐處，最大值為61.574MPa，變形量為2.737mm，如圖3所示。
3.2RPV和翻轉工裝從水平翻轉到垂直狀態
翻轉過程中從位置18°到位置90°，5個計算點進行有限元靜力學分析，判斷最大應力出現的位置及數值。RPV此時在大吊車提升作用下進行翻轉，對工裝的壓力小于其本體重量，但為施工安全考慮，工裝所受RPV作用力取RPV本體重量，翻轉工裝18°位置等效應力云圖如圖4所示。經過計算，6個位置的最大等效應力及位置見表1。工裝最大應力243.009MPa，小于Q390A許用應力極限275MPa（屈服極限390MPa/安全系數1.42），滿足《鋼結構設計規范》附錄A的要求，因而經有限元分析該翻轉工裝可以滿足翻轉受力強度要求。
4結語
基于經典的大型有限元分析軟件Ansys對核電站RPV翻轉鋼結構工裝的受力狀況進行了分析，選擇了RPV在翻轉過程中的幾種典型工況，對翻轉工裝結構進行有限元分析，并對計算結果進行了比較，計算結果表明，集中應力均小于材料的許用應力，RPV翻轉工裝的設計是合理的，采用此工裝進行RPV翻轉吊裝是可行的。
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作者：包鑫 鐘火軍 單位：中核能源科技有限公司 廣東省特種設備檢測研究院