核级卧式容器鞍座及加强圈的合理化设计

2022-09-11

正文:

1、概述

核电站中的核安全级设备所使用的材料均为核级材料, 核级卧式容器也不例外, 其材料化学成分、力学性能等方面均比同等国标材料的要求严苛, 所以材料的成本费用会相对较高。对于卧式容器的设计来讲, 首先要满足工艺及结构强度要求, 同时又要结构合理、节省材料。核电站卧式容器的支撑大多数为鞍座, 在以下章节中通过对双鞍座卧式容器力学模型的分析, 确定鞍座的轴向位置、鞍座的结构尺寸、加强圈的位置, 从而使卧式容器的轴向应力、切向应力、周向应力均为最低, 以顺利通过容器整体强度计算校核, 达到节省材料的目的。

2、双鞍座卧式容器力学模型分析

置于鞍座上的卧式容器可简化为对称分布的承受均布载荷的双铰支点的外伸梁。容器本身的自重和容器内物料的重量为mg, 沿容器长度均匀分布。容器两端为凸形封头, 确定载荷分布长度时, 可根据容积相等原则折算为直径等于容器直径, 长度为 (凸形封头深度) 的圆筒, 故重量载荷作用的长度为, 为两端封头切线距离。

3、鞍座及加强圈与各向应力关系

3.1 鞍座与轴向应力的关系

鞍座轴向位置直接决定由弯矩、引起的轴向弯曲应力大小。由材料力学可知当时, 、弯矩绝对值相等, 从而使由均布载荷引起的圆筒轴向弯曲应力绝对值最小。但对于卧式容器, 当时, 封头对圆筒体有加强作用, 在鞍座承受弯矩时, 抗弯截面为整个圆截面;而时, 封头对圆筒体无加强作用, 在鞍座截面靠筒体的上半部分存在无效区, 即无效区部分不承受弯曲应力, 抗弯截面减少为, 从而使增大, 如图 (a) 所示。

3.2 鞍座及加强圈与切向剪应力的关系

3.2.1筒体未被加强, 当鞍座截面上筒体未被封头加强, 又无加强圈时, 则由于存在无效区, 筒体抗剪的有效截面减少。最大切向剪应力在处。

3.2.2筒体未被封头加强, 但筒体在鞍座平面内有加强圈时, 由于筒体在鞍座处有加强圈加强, 筒体的整个横截面都能有效地承担剪力的作用, 此时截面上的切向剪应力分布呈正弦函数形式, 最大切向剪应力在水平中线处。

3.2.3筒体被封头加强, 筒体上无加强圈, 但鞍座靠近封头, 封头对筒体鞍座截面起加强作用。此时, 大部分剪力先由鞍座的右侧跨过鞍座传至封头, 然后又将载荷传回到鞍座靠近封头的左侧筒体。最大剪应力位于处。

由以上分析可知当筒体未被封头加强 () 时, 剪应力的计算公式与是有关的, 增大减小。该公式的在有加强圈时仅为0.319。无加强圈时 (在包角取120°、135°、150°时) 分别为1.71、0.958、0.799, 而被封头加强时 (在包角取120°、135°、150°时) 也仅分别为0.88、0.645、0.485。由此设计者可尽量使封头对筒体起加强作用, 当切向应力过大时, 可适当增大鞍座包角, 或者在鞍座平面内设置加强圈已使切向应力顺利通过。哪一种方式更为节省材料, 更为经济, 设计者可自行对比试算得出。

3.3 鞍座及加强圈与周向应力的关系

3.3.1 无加强圈圆筒体鞍座处最大周向应力

1>鞍座边角处的最大周向应力

当:L/Ra≫8时:σ6=-F4δeb2-3K6F2δe2

当:L/Ra<8时:σ6=-F4δeb2-12K6Ra Lδe2

δ---厚度, 当无垫板或垫板不起加强作用时, 则;垫板起加强作用时, 则以代替, 以代替。

2>鞍座垫板边缘处圆筒体中的周向应力

当:L/Ra≫8时:σ6’=-F4δeb2-3K6F2δe2

当:L/Ra<8时:σ6’=-F4δeb2-12K6Ra Lδe2

对于无加强圈的圆筒体公式后一项是周向弯矩产生的周向应力, 其系数与封头是否对筒体起加强作用有很大关系, 根据NB/T47042-2014表5中的取值可总结出:时的仅仅是时的1/4。可见, 应尽量使, 即封头对筒体起加强作用的结构较为合理。

3.3.2 有加强圈的圆筒体鞍座处最大周向应力

1>加强圈位于鞍座平面上

最大弯矩发生在鞍座边角处, 在鞍座边角处圆筒的周向应力σ7

σ7=-K8FA0+C4K7FRaeΙ0式中e, 对于内加强圈为加强圈与圆筒体组合截面形心线距圆筒体外表面的距离;对于外加强圈为加强圈与圆筒体组合截面形心线距圆筒体内表面的距离;

鞍座边角处加强圈边缘表面周向应力σ8

σ8=-K8FA0+C5K7FRadΙ0式中d, 对于内加强圈为加强圈与圆筒体组合截面形心线距加强圈内缘表面的距离;

式中C4、C5、K7、K8值根据NB/T 47042-2014表6可查。当加强圈位于鞍座平面上时, 其控制作用的周向应力为σ7、σ8, 只需对σ7、σ8进行校核计算。

2>加强圈靠近鞍座平面上

加强圈靠近鞍座平面上时, 周向弯矩在横截面上靠近水平中心线处为最大值, 则在横截面上靠近水平中心线处圆筒周向应力σ7、在横截面上靠近水平中心线处的加强圈边缘表面周向应力σ8位置 (ρ在90°左右) 。此外控制应力还有圆筒截面最低点处的周向压应力σ5、鞍座边角处的圆筒周向应力σ6。此时应分别对周向压应力σ5、周向应力σ6、σ7、σ8进行校核计算。

通过3.3.2节加强圈设置的两种情况对比, 可见当设计者需要设置加强圈时, 尽量将加强圈设置在鞍座平面内, 周向应力最小, 结构最为合理。

4、结论

通过以上分析可总结出, 初定卧式容器结构参数, 要审查各应力是否合理或者超标, 依应力情况调整各结构参数, 调整步骤可归纳为:a卧式容器的鞍座位置宜设置在处, 且最好满足的条件;b增设鞍座垫板且尽量使鞍座垫板对圆筒体起加强作用;c增加鞍座包角, 包角的增大将使至各值均有所下降, 从而各应力分量也下降;d增设加强圈, 加强圈宜设置在鞍座平面内。以上对卧式容器结构的调整步骤可涵盖大部分核级卧式容器的设计, 可在满足整体强度、刚度要求下优化结构, 从而达到节省材料的目的, 对于核级卧式容器可降低材料成本。

摘要：本文以核级卧式容器为切入点, 以双鞍座卧式容器为例, 通过对双鞍座卧式容器力学模型的简要分析, 从鞍座及加强圈与卧式容器各向应力的关系、鞍座平面内加强圈的设置两方面阐述了鞍座及加强圈的合理化设计可以降低卧式容器的轴向应力、切向应力、周向应力, 以使卧式容器满足整体强度要求且结构更加优化合理, 从而达到节省材料的目的, 尤其对于核级卧式容器将有效降低材料成本的费用。

关键词：鞍座,加强圈,应力,材料成本