设冷热交换器的应力分析和评定

核电站常用的热交换器有20余种，按结构形式可分为管壳式热交换器 和板式热交换器日。设冷热交换器为板式热交换器 ，它是由许多换热板片，按-定间隔四周通过密封垫片密封，并用夹紧螺柱压紧而成，其角上的孔构成了连续的通道，介质从人口进入通道，并被分配到换热板片之间的流道内，每张板片都有密封垫片，板与板之间的位置是交替放置，两种流体，分别进入各自通道，由板片隔开。-般情况下，两种介质在通道内逆流流动，热介质将热能传递给板片，板片又将热能传递给另-侧的冷介质，从而达到热介质温度降低被冷却，冷介质温度升高得到加热的目的。

设冷热交换器的应力分析是核电厂设备设计中经常遇到的问题。对设冷热交换器进行 自重、压力载荷和接管载荷下的静态分析、模态分析 和地震载荷下的动态分析目。并按 ASME BPVC-III 的相关要求，对其在各使用限制条件下的应力进行组合与评定。如果计算应力值与规范规定的应力限值之比小于等于I，则满足规范要求。

2结构简介设备冷却热交换器(简称设冷热交换器)为核安全3级、质保QA2级、SSE抗震类别的设备。设冷热交换器由整套组装的不锈钢板片和密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、支柱、法兰以及连接螺栓组成，其中，活动压紧板 、固定压紧板、滑块、连接件的材料为 16MnHR，支柱和导杆的材料采用 Q235-B，螺栓和拉杆的材料采用 42CrMo♂构外形，如图 1所示。

图 1设冷热交换器Fig.1 Equipment Cooling Heat Exchanger3载荷条件与使用限制对设冷热交换器进行应力分析时，考虑自重、压力、接管载荷和地震载荷。由于设备安装在核辅助厂房±o.OOm标高上，分析时壤0.00m标高的楼面设计反应谱作为输入。

据 ASME BPVC-m附录表 N-1230-1阻尼值 规定 ，安全停堆地震(SSE)阻尼比取 3%。OBE楼面加速度设计反应谱取 SSE楼面加速度设计反应谱的75%。根据ASME BPVC m ND分卷[91要求，设冷热交换器在各使用限制下的载荷组合列于，如表 1所来稿日期：2012-06-11作者简介：黄 庆，(1978-)，女，四川资中人，高级工程师，硕士学位，主要研究方向：反应堆结构力学第4期 黄 庆等：设冷热交换器的应力分析和评定 271示。根据产品规范书的规定 ，1.OMPa，运行压力也取 1.OMPa。

设冷热交换器 的设计压力为 应值用平方和的平方根法进行组合确定的。

表 1载荷组合Tab.1 Load Combination使用限制 载荷组合设计AD自重(D )设计压力(P)接管载荷(舭 )自重 (D )运行压力(P)接管载荷( )自重 (D )运行压力(P)接管载荷( )OBE自重 (D )运行压力(P)接管载荷(见)SSE据 ASME BPVC，第Ⅲ卷，第 l册 ND、NF分卷[91规定，设冷热交换器各部件在使用限制级下的应力限值，如表2～表4所示。

表 2板壳型构件的应力强度限制Tab.2 The Stress Intensity Limits for Plateand Shel-Type Components表中：盯， 总体薄膜应力；o-厂 局部薄膜应力； 6-弯曲应力；s许用应力值。

表 3线型支撑件的应力强度限制Tab.3 The Stress Intensity Limits for Linear-Type Suppos表 4螺栓的应力强度限制Tab.4 The Stress Intensity Limits For Connecting Bolts式中： 栓许用拉压应力； 螺栓许用剪切应力。

4分析方法与结果设冷热交换器应用 ANSYS程序中三维梁单元(BEAM188)、板壳单元(sHELL63)和体单元(SOLID45)建立有限元计算模型。

设冷结构的有限元模型图，如图2所示。其中，模态分析采用子空间迭代法，得到结构的固有频率和振型。模态分析结果表明，结构的前 2l阶固有频率小于地震截止频率33Hz，如表5所示。因此，采用谱分析法进行地震载荷下的动态反应分析♂构在地震载荷下的动态反应值(加速度、位移、力、应力等)是通过对每个模态反图 2设冷热交换器结构有限元模型图Fig.2 The Finite Element of the Component Cooling Heat Exchanger表 5固有频率(Hz)Tab.5 Natural Frequencies频率将各种载荷作用下设冷热交换器的各部分结构计算结果按照表 1进行载荷组合，并做相应的应力评定，如表 6～表 8所示。

SSE地震载荷作用下的固定压紧板和活动压紧板的膜应力和弯曲应力云图，如图 3、图4所示。支柱、上下导杆在 自重和压力载荷下的轴向应力和弯曲应力，如图5、图 6所示。从表 6至表8可知，设冷热交换器的设计是满足规范要求的。

表 6板壳型构件的应力结果与评定(MPa)Tab.6 The Stress Evaluation Resultsof Shel-type Components表7线型构件的应力结果与评定(MPa)Tab.7 The Stress Evaluation Resultsof Line-Type Supportsm ∞ ∞ 加 加m M 勰 ∞鳖 。 m 加