[摘 要] 通过ABAQUS有限元软件计算了蒸汽发生器下部支撑板的两种不同结构在承受自重及整个初级分离器重量时的变形及应力。计算结果表明，下部支撑板带弧度的结构和下部支撑板为平板结构的最大Mises应力相差不大，均小于材料的屈服强度，但带弧度的下部支撑板结构在垂直方向上的最大位移要小于下部支撑板为平板的结构。
[关键词] ABAQUS；蒸汽发生器；初级分离器；下部支撑板；结构；应力分析
在压水堆核电站中，蒸汽发生器是一回路系统中的一个非常重要的设备，它排出反应堆堆芯产生的热量，是反应堆冷却剂系统压力边界的一部分。蒸汽发生器是一个带有一体化汽水分离器的立式U形管壳式蒸发器，其基本功能为通过U形传热管将热量从单相反应堆冷却剂传递给二次侧的沸腾、两相蒸汽混合物。蒸汽发生器从沸腾的混合物中分离出干饱和蒸汽，将蒸汽送至汽轮机发电[1]。
蒸汽发生器主要由水室封头、下筒体、锥形筒体、上筒体、椭圆封头、下部内件以及上部内件组成。其中下部内件包含套筒组件、支承板、U形管束以及抗振条等，上部内件主要由初级分离器组件和干燥器组成[1]。蒸汽发生器内部结构复杂，初级分离器由下部支撑板支撑着，下部支撑板承受着整个初级分离器的重量。下部支撑板的强度和刚度是设计时必须考虑的问题。由于下部支撑板及初级分离器组件结构复杂，很难通过解析计算得出其变形及内部应力分布情况。况且目前尚无一部相关标准为这类结构的设计提供指导。本文的目的是借助于有限元分析，计算下部支撑板在承受自重及整个初级分离器重量的情况下，所受的最大变形及最大应力，为结构设计提供依据。
1 建模
在蒸汽发生器下部支撑板的设计中，考虑了两种不同的结构，方案一为如图1所示的下部支撑板带有一定弧度的结构，方案二为如图2所示的下部支撑板为平板的结构。通过两种方案的对比，最终确定蒸汽发生器初级分离器下部支撑板采用的结构。
初级分离器下部支撑板材料为Q245R，外直径为φ5100mm，板材厚度为38mm，其上开有146个直径为φ318mm的圆孔，146个汽水分离筒通过焊接与下部支撑板连接在一起，分离筒材料为06Cr19Ni10。初级分离器下部支撑板所受的载荷主要来自整个初级分离器组件的重量，约为33381 kg。计算用到的材料性能如表1所示。
表1 材料性能参数
整个有限元分析是借助于ABAQUS有限元软件完成的[2]。在对蒸汽发生器初级分离器下部支撑板的结构分析过程中，借鉴了蒸汽发生器管板的分析方法[3]，把下部支撑板上面的146个汽水分离筒看作一个整体。由于整个初级分离器组件可视为一个轴对称模型，且初级分离器下部支撑板所受的载荷主要为整个初级分离器的自重，因此在有限元建模时只取整个初级分离器组件的1/4进行分析，并且将汽水分离筒看作直的圆筒，每个汽水分离筒的上部与中间支撑板建立tie约束，每个汽水分离筒的下部与下部支撑板建立tie约束，简化后的有限元模型如图3和图4所示。在对称面上施加对称约束，在初级分离器下部支撑板下端面施加固定约束。
图1 下部支撑板为弧形结构
图2 下部支撑板为平板结构
图3 方案一简化后的有限元模型
图4 方案二简化后的有限元模型
2 结果及讨论
方案一和方案二的三维有限元计算结果分别如图5至图8所示。从图中可以看到方案一的最大Mises应力为140MPa，最大轴向位移为2.42mm，方案二的最大Mises应力为135MPa，最大轴向位移为3.34mm。从计算结果可以看出，对于两种不同的结构，最大Mises应力相差不大，均小于材料的屈服强度，然而下部支撑板带弧度结构的最大轴向位移为2.42mm，小于下部支撑板为平板的结构。表2汇总了方案一与方案二的计算结果。
图5 方案一Mises应力云图
图6 方案一轴向位移云图
图7 方案二Mises应力云图
图8 方案二轴向位移云图
表2 分析结果汇总
3 结论
通过三维有限元分析可知，对于蒸汽发生器初级分离器下部支撑板弧形结构和平板结构两种不同的方案，最大Mises应力接近，均小于材料的屈服强度；但方案一蒸汽发生器初级分离器下部支撑板弧形结构的最大轴向位移要小于方案二下部支撑板为平板结构，即在同等条件下，方案一在垂直方向上的变形要小于方案二。从结构分析角度考虑，方案一优于方案二，且方案一的应力和位移是可接受的。由于目前国内外尚无蒸汽发生器下部支撑板最大轴向位移的可接受范围，通过本文的分析，蒸汽发生器初级分离器下部支撑板最终采用方案一所示的弧形结构，厚度取38mm。
