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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(yīng)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(zhuǎn)工裝。通過ansys軟件對工裝進(jìn)行有限元分析，能夠滿足RPV翻轉(zhuǎn)需要，增加了RPV的運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)和起吊過程的順暢性。

關(guān)鍵詞：高溫氣冷堆；反應(yīng)堆壓力容器；翻轉(zhuǎn)工裝；有限元

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(tǒng)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(shè)的關(guān)鍵施工作業(yè)之一。RPV外形結(jié)構(gòu)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(yīng)堆艙室就位工作，還需要必要的工裝，使RPV由臥式水平翻轉(zhuǎn)至豎立狀態(tài)，在RPV吊裝過程中起著重要作用。結(jié)合RPV的外形結(jié)構(gòu)尺寸和重量等參數(shù)，翻轉(zhuǎn)工裝采用弧形翻轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，主體結(jié)構(gòu)采用H型鋼進(jìn)行制造，總長13m。將RPV與翻轉(zhuǎn)工裝裝配一起并采用鋼絲繩固定為一體后進(jìn)行整體翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，如圖1所示。

1RPV翻轉(zhuǎn)工裝分析思路和參數(shù)選擇

1.1力學(xué)分析思路

在RPV和工裝翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中，從0°～90°按18°等分為6個位置作為計算點，并對其進(jìn)行基于Ansys的有限元分析，估計判斷RPV最大應(yīng)力發(fā)生的位置及數(shù)值。

1.2參數(shù)選擇

本文以軟件Ansys為工具，實現(xiàn)RPV有限元自動分析，提高了分析工作效率。RPV整體結(jié)構(gòu)的主體部分材質(zhì)為SA508，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q390A，因此本文采用SOLID45單元模擬RPV的結(jié)構(gòu)，取翻轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分

2.1有限元建模

采用在Ansys建模過程中經(jīng)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(wǎng)格

對RPV主體結(jié)構(gòu)采用Ansys的高級網(wǎng)格劃分技術(shù)——掃略網(wǎng)格劃分方法，對部分無法進(jìn)行掃略網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

3有限元分析

根據(jù)1.1節(jié)6個位置，應(yīng)用軟件Ansys對翻轉(zhuǎn)工裝進(jìn)行有限元分析計算，判斷其最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置和最大應(yīng)力值。在翻轉(zhuǎn)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(jī)吊裝產(chǎn)生的牽引力用位移約束代替，對某一具體位置下翻轉(zhuǎn)工裝與地面相接處的面在垂直方向的位移進(jìn)行約束，避免其在垂直方向的運(yùn)動。

3.1初始位置（位置1，RPV水平放置）

當(dāng)RPV水平放置時，最大應(yīng)力出現(xiàn)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(zhuǎn)工裝從水平翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)

翻轉(zhuǎn)過程中從位置18°到位置90°，5個計算點進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，判斷最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置及數(shù)值。RPV此時在大吊車提升作用下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)工裝18°位置等效應(yīng)力云圖如圖4所示。經(jīng)過計算，6個位置的最大等效應(yīng)力及位置見表1。工裝最大應(yīng)力243.009MPa，小于Q390A許用應(yīng)力極限275MPa（屈服極限390MPa/安全系數(shù)1.42），滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄A的要求，因而經(jīng)有限元分析該翻轉(zhuǎn)工裝可以滿足翻轉(zhuǎn)受力強(qiáng)度要求。

4結(jié)語

基于經(jīng)典的大型有限元分析軟件Ansys對核電站RPV翻轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)工裝的受力狀況進(jìn)行了分析，選擇了RPV在翻轉(zhuǎn)過程中的幾種典型工況，對翻轉(zhuǎn)工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對計算結(jié)果進(jìn)行了比較，計算結(jié)果表明，集中應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，RPV翻轉(zhuǎn)工裝的設(shè)計是合理的，采用此工裝進(jìn)行RPV翻轉(zhuǎn)吊裝是可行的。

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(shè)備檢測研究院