CN106980734B - 一种考虑材料和接触非线性的rpv密封性能计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，用于核电站严重事故缓解技术关键结构密封性能评估，属于熔融物堆内滞留领域。本发明在进行流固耦合计算过程中关注湍流模型与蒸发沸腾模型的选择与设置；综合考虑高温工况材料热膨胀系数、垫片压缩回弹曲线、接触非线性以及材料非线性等因素对结果的影响；采用操作密封比压的评价方法，结合危险接触区域温度、等效应力以及接触压强计算结果，对RPV密封性能进行综合评价。本发明能够实现在模拟试验之前通过有限元仿真的方法对RPV密封性能进行有效预评估，为模拟试验提供重要参考，具有缩短技术研发周期，节约试验成本、提高技术可信度等优势。

Description

一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法
技术领域
本发明涉及一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，用于核电站严重事故缓解技术关键结构密封性能评估，属于熔融物堆内滞留领域。
背景技术
核电站严重事故的缓解和控制技术是目前国内外极为关注的焦点。为缓解严重事故后果已提出许多应对的策略，其中堆腔注水技术是一项目前在国际上受到普遍关注的严重事故缓解措施，其目标是通过压力容器外部冷却(ERVC)的方式保证严重事故下压力容器(RPV)的完整性，从而获得熔融物堆内滞留(IVR)，防止大多数威胁安全壳完整性的堆外现象发生。在该项技术当中RPV的密封性能是一个起到关键作用的重点问题，由于其工作过程中所处环境相当复杂，外部流动冷却水、内部存在高温熔融物热源，在技术研发过程中需要对RPV密封性能进行模拟试验验证。目前对RPV密封性能的验证大多是通过模拟试验来完成的，将RPV试验试件安装在冷却水腔内，内部高温热源通过加热棒来模拟，试验周期长，耗费大量的人力、物力和财力。
发明内容
本发明目的是提供一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，该方法通过仿真技术手段对RPV试验模拟体密封性能进行计算评估。应用相关技术软件充分模拟RPV在内部热源升温、外部水流冷却的共同作用下，密封结构的内部热传导和外部热交换情况，计算获得密封结构的温度和应力结果，从而实现对RPV密封性能的有效评估。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，具体步骤如下：
步骤一、应用CFX软件对RPV试验模拟体进行流固耦合数值模拟计算，计算过程中同时考虑湍流模型和蒸发沸腾模型的影响，获得试验工况下RPV温度场分布、外水腔中水流的情况以及腔内空气的流动情况，进而求得RPV内外表面的流域表面温度和对流换热系数，为密封性能计算提供边界条件。
步骤二、应用ABAQUS软件对RPV试验模拟体进行热负荷和机械负荷的耦合计算，步骤一获得的流域表面温度和对流换热系数作为边界条件，模拟过程中充分考虑材料特性随温度变化对结果的影响，以及材料非线性和接触非线性的问题，计算获得高温工况下RPV温度场结果，以RPV温度场计算结果为边界条件进一步计算获得应力场结果。
步骤三、应用操作密封比压的密封性能评价方法，对步骤二所得的应力场计算结果进行评价。即对RPV危险接触区域的温度、等效应力和接触压强进行计算分析，将接触压强计算结果与操作密封比压阈值进行比较，进而对RPV密封性能进行有效评价。
有益效果
1、本发明在这种背景下设计了一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，实现在模拟试验之前通过有限元仿真的方法对RPV密封性能进行有效预评估，可以为模拟试验提供重要参考，具有缩短技术研发周期，节约试验成本、提高技术可信度等优势，为确保在严重事故条件下压力容器的完整性提供支撑。
2、为了更好的模拟RPV实际内外流场情况，在进行流固耦合计算过程中关注湍流模型与蒸发沸腾模型的选择与设置；热机耦合分析模型以流固耦合模型计算获得的流域表面温度和对流换热系数为边界条件，综合考虑高温工况材料热膨胀系数、垫片压缩回弹曲线、接触非线性以及材料非线性等因素对结果的影响；采用操作密封比压的评价方法，结合危险接触区域温度、等效应力以及接触压强计算结果，对RPV密封性能进行综合评价。
附图说明
图1为典型反应堆压力容器(RPV)密封部件结构示意图；
图2为RPV高温密封性能计算方案流程图；
图3为考虑材料和接触非线性因素的RPV高温密封性能仿真计算流程图；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
图1、2、3为本发明考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法具体实施实例，其中图1为典型的RPV法兰接触密封结构，主要由RPV筒体法兰、密封垫片、连接螺栓、RPV下封头等部件组成。在该实例中连接螺栓和RPV筒体法兰均为不锈钢材料，而RPV下封头为铜材料，密封垫片为柔性石墨材料。
一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，如图2所示，具体实施步骤如下：
1.应用CFX软件建立RPV流固耦合分析模型，对实体模型进行有限元网格划分，需保证固体部分和水腔流体部分的网格划分方式不同。对于流体域网格，在壁面边界上应该划分出边界层网格。该实例的边界层网格使用了三棱柱网格，层数为3层。此外为提高网格质量，利用Hypermesh修改二维网格的功能对网格进行调整，删除或者修改质量较差的网格。
2.在RPV流固耦合模型中，其中湍流模型选择k-ε湍流模型，该模型主要通过求解两个附加方程，k方程和ε方程(其中k方程是表示湍流脉动动能方程，ε方程是湍流耗散方程)来确定湍流黏性系数，进而求解湍流粘性应力。蒸发沸腾模型选择RPI模型，设置蒸汽和水的物性参数，进行边界条件和求解控制参数的设置。对仿真模型进行温度场计算，获得RPV内外流域的表面温度和对流换热系数，数据如表1所示。
3.应用ABAQUS软件对RPV试验模拟体建立热机耦合分析模型，如图3所示。在材料参数设置过程中通过GASKET单元对柔性石墨垫片进行模拟。充分考虑柔性石墨压缩回弹特性随温度的变化情况，在软件中设置常温和高温两种工况材料特性曲线，数据如表2和表3所示，其余温度下材料的参数特性软件通过差值的方法即可获得。
4.考虑到不锈钢、柔性石墨和铜材料在不同温度时线膨胀系数的差异，尤其是高温工况下参数特性变化较大，因此在仿真过程中设置不同温度时材料的热膨胀系数，如表4所示。
5.在预紧和升温的工况下，RPV法兰接触面附近局部应力集中，此外铜封头高温屈服极限大幅度降低，可能导致反应堆压力容器出现塑性变形。考虑到材料非线性因素对计算结果的影响，在模型中设置铜封头材料不同温度下的应力—应变曲线，数据如表5、6、7所示。依据小变形弹塑性理论，在计算过程中采用Von Mises屈服准则。
6.反应堆压力容器密封接触问题属于不定边界问题，其中既有由接触面积变化而产生的非线性，也有由摩擦作用产生的非线性。在密封分析过程中，各个密封接触面均需进行有摩擦的接触分析，摩擦类型为库伦摩擦，摩擦系数取0.15。接触问题采用罚函数法求解，为保证计算精度的同时减小计算量，筒体法兰、螺栓和密封垫片采用C3D8R单元(六面体一次减缩积分单元)，结构较复杂的封头采用C3D10M单元(修正的四面体二次单元)。
7.RPV在高温工作状态下主要承受两种载荷作用，一种为螺栓预紧力产生的机械载荷，另一种为内部热源产生的热负荷。螺栓预紧力采用BOLT单元进行模拟，载荷通过分步施加的方法进行加载，RPV内部发热源等效成体热源(Body heat source)进行模拟。RPV热机耦合计算过程分为两个步骤，首先以流固耦合计算结果为边界条件计算RPV内部温度场分布情况，然后以温度场计算结果为边界条件计算应力场结果。
8.计算完成后，依据操作密封比压P0＝m·P进行密封性能分析。其中P为RPV内压，该实例中为0.3MPa，m为密封垫片系数，柔性石墨垫片的系数m＝2，因此操作密封比压阈值P0＝0.6MPa。将RPV温度、等效应力以及接触压强仿真计算结果进行综合分析，其中密封垫片温度、等效应力以及接触压强的最大值和最小值如表8所示，可见RPV高温工作状态下密封垫片最小接触压强为1.272MPa，大于操作密封比压阈值(0.6MPa)，因此该实例中RPV高温密封性能是能够满足要求的。此外，该实例中RPV的密封性能通过进一步的模拟试验验证，结果也是合格的，因此本发明一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法是正确有效的。
表1封头和筒体内外流域的表面温度和对流换热系数
Figure BDA0001262278670000041
表2垫片在20℃时压缩回弹曲线参数值
表3垫片在400℃时压缩回弹曲线参数值
Figure BDA0001262278670000052
表4材料不同温度下的线膨胀系数(10-5/K)
温度(℃) 0 100 200 300 400 500 600 700 800
不锈钢 1.63 1.68 1.73 1.76 1.80 1.83 1.87 1.90 1.93
紫铜 1.70 1.81 1.84 1.87 1.90 1.93 1.97 1.99 /
柔性石墨 0.397 0.413 0.428 0.442 0.460 0.478 / / /
表5铜材料在20℃时真实应力和塑性应变数据表
序号 1 2 3 4 5
真实应力MPa 45 160 225 275 300
塑性应变 0 0.099 0.198 0.298 0.398
表6铜材料在650℃时真实应力和塑性应变数据表
序号 1 2 3 4 5 6
真实应力MPa 20 44 50 52 54 58
塑性应变 0 0.025 0.055 0.085 0.250 0.649
表7铜材料在950℃时真实应力和塑性应变数据表
序号 1 2 3 4 5
真实应力MPa 9 18 19 20 20.5
塑性应变 0 0.022 0.050 0.100 0.650
表8密封垫片温度、等效应力以及接触压强的最大值和最小值
结果类型 温度(℃) 等效应力(MPa) 接触压强(MPa)
最大值 146 3.194 1.633
最小值 134 0.621 1.272

Claims (1)

1.一种考虑材料和接触非线性的RPV密封性能计算方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、应用CFX软件对RPV试验模拟体进行流固耦合数值模拟计算，其中湍流模型通过求解两个附加方程确定湍流黏性系数，进而求解湍流粘性应力，蒸发沸腾模型选择RPI模型，设置蒸汽和水的物性参数，进行边界条件和求解控制参数的设置；
获得试验工况下RPV温度场分布、外水腔中水流的情况以及腔内空气的流动情况，进而求得RPV内外表面的流域表面温度和对流换热系数，为密封性能计算提供边界条件；
步骤二、应用ABAQUS软件对RPV试验模拟体进行热负荷和机械负荷的耦合计算，步骤一获得的流域表面温度和对流换热系数作为边界条件，模拟过程中充分考虑材料特性随温度变化对结果的影响，以及材料非线性和接触非线性的问题，计算获得高温工况下RPV温度场结果，以RPV温度场计算结果为边界条件进一步计算获得应力场结果；
步骤三、应用操作密封比压的密封性能评价方法，对步骤二所得的应力场计算结果进行评价；即对RPV危险接触区域的温度、等效应力和接触压强进行计算分析，将接触压强计算结果与操作密封比压阈值进行比较，进而对RPV密封性能进行有效评价。
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