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压力容器的应力分析
摘要：压力容器是指盛装气体或者液体并承载一定压力的密闭设备，广泛应用于石油化工、能源工业、军工以及科研等各个领域。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。高压容器筒体与封头连接区是高压容器的高应力区之一，本文主要讨论封头和筒体之间的连接区域的应力应变情况。
一．工程背景及意义
核能作为一种安全、清洁、高效以及可持续发展的能源已经为各国和各个地区广泛接受,核电是我国能源战略的重要组成组成部分之一，根据《核电中长期发展规划（2005-2020年）》，我国到2020年将实现核电装机容量4000万KW，核电占比从现在的不到2%提高到4%。积极推进核电建设对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求,实现能源、经济和生态环境协调发展以及提升我国综合经济实力和工业技术水平具有重要意义。反应堆压力容器是核电厂反应堆冷却剂压力边界屏障中的一个重要设备。它主要用来装载反应堆堆芯,密封高温、高压的冷却剂,为反应堆安全运行提供所必需的堆芯控制和堆内测量的导向和定位。反应堆压力容器属安全一级设备,因此,要求其在各种工况下均能保持可靠的结构完整性,不会发生容器的破坏和放射性的泄漏。筒体是压力容器的主要部件,与封头或管板共同构成承压壳体,为物料的储存,完成介质的物理、化学反应及其他工艺用途提供所必需的承压空间。封头是保证压力容器密封的重要部件。因此,筒体和封头的连接安全性是设计和使用中至关重要的问题,对它们进行应力评定是十分必要的。论文以大型先进压水堆核电厂压力容器筒体及封头为研究对象，基于有限元方法,完成了反应堆压力容器筒体及封头在各种工况各种载荷组合作用下的一次应力强度的计算、分析与评定,并分析各个载荷对应力分布的影响,最终得出了结构强度符合规范要求的结论。在此基础上,本文通过简化整体模型,创建局部模型,对筒体和封头作进一步应力评定,并将计算结果与整体模型的结果进行对比分析。

图1压水反应堆核电站工作原理
二.压力容器应力分析
1.压力容器的组成
压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。

图2-1 压力容器及其组成

2.压力容器的分类
压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。
(1)按承受压力的等级分为：
低压容器0.1 MPa≤p＜1.6 MPa
中压容器1.6 MPa≤p＜10.0 MPa;
高压容器10 MPa≤p＜100 MPa;
超高压容器p≥100MPa。

(2)按盛装介质分为：非易燃、无毒；易燃或有毒；剧毒。
(3)按工艺过程中的作用不同分为：
①反应容器：用于完成介质的物理、化学反应的容器。
②换热容器：用于完成介质的热量交换的容器。
③分离容器：用于完成介质的质量交换、气体净化、固、液、气分离的容器。
④贮运容器：用于盛装液体或气体物料、贮运介质或对压力起平衡缓冲作用的容器。
3.压力容器的作用
（1）装载着活性区及堆内所有构件，对堆芯具有辐射屏蔽作用，在顶盖上安装着控制棒管座及其驱动机构，能承受很大的机械和动载荷；
（2）作为承压边界，密封高温高压含放射性的一回路冷却剂并维持其压力，承受动载荷和温度载荷；
（3）作为第二道屏障，在燃料元件破损后有防止裂变产物外泄的功能。
4.压力容器应力分析实例
在工程实际应用中，直径较大的高压容器一般都采用球形封头，但是由于球形封头的厚度与相接筒体的厚度相差较大，故筒体与封头间必然存在过渡区，通常采用锥形过渡段进行连接，而锥形过渡段则通过削薄筒体端部获得。
（1）问题描述
工程问题描述：核电站压力容器用SA508-3合金钢（合金钢的弹性模量为206GPa，泊松比为0.25-0.3），功率在1000MW及以上的普通压水堆核电站反应堆压力容器具有腐蚀环境，设计压力高达17MPa，设计温度在350摄氏度左右，压力容器内径近4.5m，壁厚超过20cm，总高12.9-13.6m，总重量约380-400吨。（设计寿命至少要求为40年，由于其体积庞大、不可更换，所以压力容器的寿命决定了核电站的服役年限）
简化问题描述：排除腐蚀环境和高温环境，只考虑高压环境。高压容器的设计压力P=17MPa，材料的弹性模量为2.06E6MPa，泊松比为0.3，筒体的内径为R1=450mm，壁厚t=50mm，封头内径为R2=460 mm，厚度t=25mm，筒体长度S=600mm，筒体削边长度L=96mm，如图所示，对该高压容器筒体进行应力分析。
（2）问题的分析和求解
本例子的关键在于讨论封头和管体之间的连接区域的应力情况，所以可以忽略封头上的其他结构（如开口管等等），把几何模型视为轴对称的，故而使用轴对称模型进行分析，这样可以节省大量的计算时间。
具体过程：
1） 创建模型
2） 定义材料和截面属性
3） 定义装配
4） 设置分析步和历史输出变量
5） 定义载荷和边界条件
6） 划分网格
7） 提交作业
8） 后处理与结果分析
其他参数保持不变，当设计压力分别取20MPa，30MPa，40MPa，50MPa时，最大应力强度仍出现在过渡区与球壳连接处，最大应力强度值随内压的变化如表和图所示。

三.结论与总结

参考文献
1. 大型先进压水堆核电厂压力容器下筒体及下封头应力评定.硕士论文
2. 压水堆核电站反应堆压力容器材料概述.李承亮.张明乾
3. 高压容器筒体与封头连接区有限元应力分析.付丽.张智亮
高压压力容器筒体与封头连接处应力分布的有限元分析.马夕瑞.李宁.罗超.韩雄宗.孙涛0万U豆体验卡
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