核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性研究

1、    核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性研究    譚文界陳書華任荷【摘 要】本文的主要研究?jī)?nèi)容是以核燃料組件運(yùn)輸容器為研究對(duì)象，開展符合相關(guān)技術(shù)要求的可靠性研究，完成核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性設(shè)計(jì)、有限元仿真分析驗(yàn)證、制定核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，確保核燃料組件運(yùn)輸容器滿足gb11806放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)定等相關(guān)技術(shù)要求。【關(guān)鍵詞】燃料；容器；可靠性0 引言隨著我國(guó)民用核領(lǐng)域的快速發(fā)展，核核燃料組件的運(yùn)輸數(shù)量和品種不斷增加，對(duì)核燃料組件運(yùn)輸容器的需求將不斷擴(kuò)大，由于核核燃料組件運(yùn)輸屬于高敏感、高風(fēng)險(xiǎn)的放射性物質(zhì)運(yùn)輸，不僅影響環(huán)境安全、公眾健康，也影響到

2、國(guó)家安全和形象，以至影響整個(gè)核能開發(fā)和核技術(shù)的健康發(fā)展。我國(guó)關(guān)于放射性物質(zhì)運(yùn)輸已經(jīng)制定了一些相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，其中以gb11806放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程為主要依據(jù)。國(guó)內(nèi)核電站目前主要采用進(jìn)口核燃料組件運(yùn)輸容器來(lái)運(yùn)輸新核燃料組件，例如田灣核電站采用俄羅斯設(shè)計(jì)和制造的核燃料組件運(yùn)輸容器，大壓灣核電站采用法國(guó)設(shè)計(jì)的核燃料組件運(yùn)輸容器，尚未見(jiàn)到國(guó)內(nèi)研發(fā)成功具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核燃料組件運(yùn)輸容器的報(bào)道。1 研究目標(biāo)本文的研究目的是以核燃料組件運(yùn)輸容器為研究對(duì)象，開展可靠性研究，在研究過(guò)程中運(yùn)用可靠性技術(shù)挖掘和確定隱患和薄弱環(huán)節(jié)，并采取設(shè)計(jì)預(yù)防和設(shè)計(jì)改進(jìn)措施有效地消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)，從而提高運(yùn)輸容器的安全可靠

3、性。本文的主要目標(biāo)是以已經(jīng)開展的核燃料組件運(yùn)輸容器原理樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)為基礎(chǔ)，開展運(yùn)輸容器的可靠性研究、建立起可靠性模型，并通過(guò)對(duì)運(yùn)輸容器遭受的9m自由跌落試驗(yàn)及600耐熱試驗(yàn)進(jìn)行有限元建模及分析，將分析結(jié)果與運(yùn)輸容器原理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比論證和分析，驗(yàn)證運(yùn)輸容器有限元模型的正確性和可靠性，建立起一套完善的、科學(xué)的核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，并在可靠性研究及有限元分析優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成核燃料組件運(yùn)輸容器優(yōu)化三維數(shù)字虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。2 技術(shù)指標(biāo)2.1 核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性研究建立核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性模型，完成fmeca和fta分析，制訂核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，建立一種運(yùn)輸容器

4、減震裝置的可靠性定量評(píng)估方法。2.2 完成9m跌落試驗(yàn)及600火燒試驗(yàn)的仿真分析采用有限元分析技術(shù)完成對(duì)核燃料組件運(yùn)輸容器9m跌落試驗(yàn)及600火燒試驗(yàn)的仿真驗(yàn)證，通過(guò)比對(duì)分析運(yùn)輸容器原理樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證其正確性，再此基礎(chǔ)上利用有限元分析技術(shù)完成運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)優(yōu)化。2.3 提供核燃料組件運(yùn)輸容器優(yōu)化三維數(shù)字虛擬樣機(jī)3 技術(shù)難點(diǎn)3.1 核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性模型建立由于國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)新核燃料組件運(yùn)輸容器的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范，所以可靠性模型數(shù)據(jù)來(lái)源少，同時(shí)又涉及材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱工等多種學(xué)科知識(shí)，因此核燃料組件運(yùn)輸容器可靠性模型的建立，存在一定難度。3.2 有限元仿真分析驗(yàn)證目前自由跌落試驗(yàn)的有限元

5、仿真分析結(jié)果普遍存在精度不高的問(wèn)題，由于運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在接觸及非線性問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)9m跌落及600耐熱試驗(yàn)有限元仿真模型建立，并保證仿真分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致在技術(shù)上存在一定的困難，是本文需開展攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)。4 研究?jī)?nèi)容4.1 可靠性設(shè)計(jì)與分析運(yùn)輸容器可靠性設(shè)計(jì)與分析的主要內(nèi)容是進(jìn)行故障模式影響及危害分析（fmefa）、故障樹分析（fta），建立可靠性模型，制訂可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。4.1.1 開展故障模式、影響及危害性分析（fmeca）；針對(duì)運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能要求和使用工況，建立可靠性框圖及基本可靠性模型。采用fmeca可靠性評(píng)價(jià)分析技術(shù)，對(duì)運(yùn)輸容器各組成單元可能發(fā)生的各種

6、失效模式對(duì)設(shè)備功能的影響及其危害程度的分析，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)采取對(duì)策、改進(jìn)設(shè)計(jì)，以保證產(chǎn)品的可靠性。4.1.2 故障樹分析（fta）利用fta可靠性評(píng)價(jià)分析技術(shù)，對(duì)可能造成運(yùn)輸容器失效的各種因素（包括硬件、軟件 、環(huán)境、人為因素等）進(jìn)行分析，確定薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵零部件，建立邏輯框圖（即故障樹），并加以簡(jiǎn)化，從而確定運(yùn)輸容器失效原因的各種可能組合方式，建立故障樹數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行故障樹的定性分析；通過(guò)計(jì)算頂事件的概率，進(jìn)行故障樹的定量分析。根據(jù)fta分析結(jié)果，開展影響運(yùn)輸容器壽命的關(guān)鍵因素（如結(jié)構(gòu)尺寸、減震參數(shù)、材料性能、使用工況等）分析，結(jié)合工程設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及使用經(jīng)驗(yàn)，分析各關(guān)鍵影響因素的分布

7、規(guī)律。4.1.3 運(yùn)輸容器壽命仿真計(jì)算及分布特征分析研究在已掌握壽命影響因素分布規(guī)律基礎(chǔ)上，為了對(duì)運(yùn)輸容器進(jìn)行可靠性分析，需要對(duì)運(yùn)輸容器進(jìn)行可靠性建模，確定運(yùn)輸容器可靠性框圖及計(jì)算運(yùn)輸容器可靠性的概率表達(dá)式（數(shù)學(xué)模型）。運(yùn)輸容器可靠性模型是一個(gè)串聯(lián)模型，其詳細(xì)程序應(yīng)達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的分析層次，以獲得可以利用的信息。應(yīng)用蒙特卡羅方法隨機(jī)給定運(yùn)輸容器壽命關(guān)鍵影響因素變量值，考慮疲勞、應(yīng)力-強(qiáng)度等因素，首先應(yīng)用有限元仿真軟件計(jì)算不同參數(shù)狀態(tài)下運(yùn)輸容器關(guān)鍵零部件的壽命，進(jìn)而給出運(yùn)輸容器的壽命，并分析運(yùn)輸容器壽命的分布特征。4.1.4 制定可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則從運(yùn)輸容器可靠性角度出發(fā)，通過(guò)開展故障模式、影響及危害

8、性分析（fmeca）及故障樹分析（fta），并在進(jìn)行運(yùn)輸容器壽命仿真計(jì)算及分布特征分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的、相似產(chǎn)品的工程經(jīng)驗(yàn)，制定出運(yùn)輸容器系統(tǒng)化、規(guī)范化的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范。4.2 有限元仿真分析驗(yàn)證運(yùn)輸容器經(jīng)受的9m跌落及600火燒事故工況，通常采用試驗(yàn)的方法對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，但由于試樣不可復(fù)用及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高，難以對(duì)運(yùn)輸容器進(jìn)行充分的試驗(yàn)，由試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)難以全面反映運(yùn)輸容器的整體性能。為建立運(yùn)輸容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高運(yùn)輸容器的可靠性，本課題擬建立9m跌落及600火燒試驗(yàn)的有限元仿真分析模型，采用核燃料組件運(yùn)輸容器原理樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。采用經(jīng)驗(yàn)證后的仿真分析方法對(duì)運(yùn)輸容器進(jìn)

9、行結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，減少試驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品的可靠性。 9m跌落試驗(yàn)采用三維建模軟件solidworks建立運(yùn)輸容器工程樣機(jī)的三維模型（如圖1所示），通過(guò)ansys/ls-dyna軟件建立9m自由跌落的分析模型，600耐熱試驗(yàn)采用計(jì)算力學(xué)通用軟件ansys進(jìn)行建模及分析。采用有限元分析的手段驗(yàn)證運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，保證運(yùn)輸容器即使的事故工況下其結(jié)構(gòu)完整性也不被破壞，以保證核燃料組件不會(huì)因運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而造成放射性物質(zhì)的泄露。4.3 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)可靠性分析和設(shè)計(jì)、有限元仿真分析驗(yàn)證結(jié)果完成核燃料組件運(yùn)輸容器的優(yōu)化三維數(shù)字虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。4.4 運(yùn)輸容器影響壽命關(guān)鍵因素的試驗(yàn)研究根據(jù)

10、運(yùn)輸容器使用狀況及核燃料組件的運(yùn)輸要求，運(yùn)輸容器各部件在正常運(yùn)輸工況下應(yīng)承受不小于4g的沖擊，根據(jù)運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境，運(yùn)輸容器中對(duì)沖擊反映最敏感的零部件應(yīng)為運(yùn)輸容器減震裝置，它在運(yùn)輸過(guò)程中不斷受到交變應(yīng)力的作用，存在一定的疲勞失效的概率。為保證運(yùn)輸容器在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)運(yùn)輸?shù)目煽啃?，需要?duì)運(yùn)輸容器減震裝置壽命開展試驗(yàn)研究，針對(duì)運(yùn)輸容器壽命關(guān)鍵影響因素（如鋼絲繩減震器參數(shù)、運(yùn)行條件等），制造運(yùn)輸容器減震裝置試驗(yàn)件，開展模擬不同路況及加速度變量值情況下的震動(dòng)試驗(yàn)，獲取壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)所得壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合壽命仿真計(jì)算結(jié)果，建立一種運(yùn)輸容器減震裝置的可靠性定量評(píng)估方法，并采用該方法對(duì)運(yùn)輸容器的壽命

11、進(jìn)行計(jì)算分析。5 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益本文研究成果可直接應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆核燃料組件運(yùn)輸容器的研制，為核燃料組件運(yùn)輸容器的優(yōu)化與工程設(shè)計(jì)奠定技術(shù)基礎(chǔ)；其9m跌落及600火燒有限元分析技術(shù)的建立及應(yīng)用，為后續(xù)新研制運(yùn)輸容器提供了事故仿真試驗(yàn)的模擬平臺(tái)，可大幅減少試驗(yàn)樣機(jī)的需求量及試驗(yàn)費(fèi)用；通過(guò)運(yùn)輸容器影響壽命關(guān)鍵因素的試驗(yàn)研究，建立一種運(yùn)輸容器減震裝置的可靠性定量評(píng)估方法，可定量評(píng)估運(yùn)輸容器的壽命，為運(yùn)輸容器可靠性的提高及改進(jìn)提供了實(shí)現(xiàn)手段。目前國(guó)內(nèi)還未開發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料運(yùn)輸容器，作為燃料運(yùn)輸過(guò)程中的必備設(shè)備，隨著未來(lái)核電需求的不斷擴(kuò)大，未來(lái)中國(guó)需要數(shù)百臺(tái)新型核燃料組件運(yùn)輸容器，因此本文