设冷热交换器的应力分析和评定

　　1 引言

　　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[1-2]和板式热交换器[3]。设冷热交换器为板式热交换器，它是由许多换热板片，按一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，介质从入口进入通道，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。一般情况下，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一侧的冷介质，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[4-7]和地震载荷下的动态分析[8]。并按 ASME BPVC-III[9]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 1，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。结构外形，如图 1 所示。

　　3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±0.00m标高上，分析时取±0.00m 标高的楼面设计反应谱作为输入。据ASME BPVC-Ⅲ附录表 N-1230-1 阻尼值[9]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 Ⅲ ND 分卷[9]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所示。根据产品规范书的规定，设冷热交换器的设计压力为1.0MPa，运行压力也取1.0MPa。

　　据ASME BPVC，第Ⅲ卷，第 1 册 ND、NF 分卷[9]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。

　　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21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。结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应值用平方和的平方根法进行组合确定的。