核电厂余热排出泵承压件热冲击分析康东明

核电厂余热排出泵承压件热冲击分析康东明

康东明

（山东核电有限公司265116）

摘要：分析了核电厂余热排出泵承压件热冲击。通过有限元房费、构建三维模型、热与应力场顺序耦合形式，进行泵体主承压件在热冲击状态下的温度与热应力分布展开讨论，得出余热排出泵泵体温度与应力分布。基于热瞬态结果能够得出：热冲击阶段泵体中的热量状态为非傅里叶效应，由泵体内壁至外层温度差，温度伴随着时间的延长降低。同时，基于瞬态条件下，通过结构分析进行承压热冲击中泵体应力分布进行研究。得出：其结构强度符合要求，不过结构强度较小，有待完善与改进。

关键词：核电厂；余热排出；泵承压件；热冲击分析

现阶段，我国对于核电厂泵承压热冲击模拟研究较少。余热排出泵机组为压水堆核电厂的重要组成部分，是堆内余热排出泵系统的核心设备。将其应用在系统中流体介质循环流动，经过余热排出冷却器导出反映堆冷却剂余热。当主泵无异常时，余热排出应发挥导出作用。所以，在余热排出泵机组稳定性、完整性的要求中较为严格，并符合承压热冲击、防震性等。

一、方法研究

（一）热应力方法分析

该种热冲击为高强度的非稳态热传导，在热冲击开始出现时，泵体主承压件中温度分布会受到开始温度与外部热冲击制约，达到快速瞬态效果。在这一阶段，泵体中温度场在空间与时间上有明显变化。同时，泵体材料中也出现冲击性的非定常热应力效应。

因为热冲击包含内容较为广泛，例如：物体内部非稳态温度分布与应力求解。基于理论上分析，平板、圆柱等物体的瞬态导热过程适合理论分析。立足于弹性力学角度分析，针对繁琐的三维几何物体分析，则难以利用理论分析解决问题。结合相关文献研究，耦合场理论的有限元能够有效解决热冲击问题，能够得出瞬态条件下的泵体热应力分布。

（二）有限元模型与边界状态

通过ANSYS的瞬态热分析与结构模型展开耦合场研究。同时，通过前处理系统建模与网络区分。结合泵体结构特点，利用简单的实体模型建模进而得出有限元模型。具体实验要求为，党泵体承受热冲击状态下，入口水的温度在短时间中由12℃增加到180℃。该阶段泵体内部和高温湍流介质之间有着较强的对流换热现象。为解决泵体内壁各范围的换热系数，具有较大难度。对此，选择在瞬态热分析中把进口温度载荷直接加载于泵体内壁外部。针对泵体外层在22℃下的自然对流展开处理。泵体选择奥氏体不锈钢，材料密度在7854kg/m3，泊松比为0.3，许用应力强度Sm=154MPa。

二、瞬态热分析

（一）温度场变化状态

瞬态热具有较强的非傅里叶效应，当热冲击荷载状态下，泵体中的节点温度伴随着时间的变化而变化。对此，选择泵体外层位于不同壁厚位置的3个相近点区域，进行节点温度控制掌握泵体温度场变化特点。根据相关曲线图分析，0--6000s变化中，泵体外层温度逐渐提升不过，温度提升的速率不断降低。总而言之，节点在500s之前温升速率较高并减少；6000s温度趋向定值，参数与稳态分布相同。

（二）温度场伴随路径变化讨论

热冲击时，泵体内层、外层壁面的温度梯度分布伴随着时间的变化，以及泵体中动态热应力产生的根本，对泵体内、外温度梯度与后续的应力评价研究。截面中结构不间断范围选择多条连接泵体内壁、外层的路径。

分析各时间节点的温度变化，能够对热冲击下顺着泵体壁厚方向的温度梯度分布状态分析，选择路径1、3与5在10s、100s、200s、400s时间段由内壁转外顺着路径方向温度分布可以看到，路径1、3、5节点温度由内壁到外壁降低，梯度变化伴随着时间的提高变得稳定。对各路径分析，100s时间曲线的平均温度梯度高于400s时间曲线的梯度参数。其结构和平板热冲击的理论分析结论相同，验证了分析的稳定性。

三、承压热冲击应力评价

余热排出泵体在热冲击阶段逐渐减少，能够通过热应力长耦合分析方法把瞬态热分析的温度场结果作为结构分析的外载荷添加。与此同时，结构研究中加载泵体中的压力荷载、泵体自重与进出管口荷载进而能够对承压热冲击的泵体承载状态考量。另一方面，得出承压热冲击状态的泵体中整体应力响应状态。

基于路径温度变化可以得出：热冲击初始100s前，内部节点温度梯度参数较高。该范围中通过研究各时间段的泵体应力参数，同时展开比较得出应力评价所需的最高应力参数。

通过调查时间得出：余热排出泵泵体的强度符合承压热冲击状态的标准要求。立足于各路径代表的结构不持续范围分析，泵体结构强度在路径4范围较差。尽管该路径中的温度变化曲线较为稳定，不过承压热冲击状态的最高组合应力强度参数较高。所以，需要对泵体结构展开优化进而提升结构强度。

结语：

综合分析，第一，热冲击状态下，余热排出泵外表层温度不断提升，温度升高速度在冲击初始阶段的500s时间较长，一段时间后有所降低。当达到6000s后，温度变化处于稳定。第二，泵体结构结构不持续位置分析得出，顺着路径由内部向外阶段温度降低。路径温度曲线的变化伴随着时间的延长趋于平稳，冲击初始100s内，温度梯度为最高参数。

参考文献：

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[2]张龙,郑安节,田祖安,黄开志.热冲击下含椭圆形裂纹热障涂层热力耦合分析[J].中国陶瓷,2017（01）.

[3]张柯柯,郭兴东,王悔改.热冲击下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头组织与性能[J].稀有金属材料与工程,2017（05）.