上海阿波罗机械股份有限公司 上海 201401
摘要：本文利用CFD软件对低压安注泵内部销钉脱落后产生的影响进行数值模拟。通过流场分析证明销钉脱落后，被泵内输送流体直接冲击到泵的出口处，而不会流经到叶轮、导流壳之间，对转子和定子部件造成损伤。并通过动力学分析销钉经过泵出水弯管时撞击到弯管内壁，撞击处弯管外壁不会发生破损和较大塑性变形。从而证明该内部销钉脱落后不会对泵上的零部件造成损伤。
关键词：低压安注泵；销钉；脱落；影响；数值模拟
引言
低压安注泵是压水堆核电站安注系统（RIS）的组成部分。该系统的主要功能是在下列任一事故发生时进行安全注入：
1、反应堆冷却剂失水事故（LOCA）。
2、蒸汽管线破裂或给水管线破裂。
低压安注泵为立式泵，通过其筒体安装在地坑中，叶轮为离心式单吸叶轮，入口和出口在同一水平面上且相差90°，泵的结构如图1所示。
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图1 结构图
低压安注泵主要性能参数见表1。
表1 性能参数
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注：配套电机功率：355kW；转速：1485r/min；设计压力：3.2MPa；设计温度：120℃。
某核电机组在开盖冷试结束后清洁主管道时，在反应堆主管道3环冷段发现异物。通过对现场提供的异物规格（M6×20）及异物照片等信息与安全壳喷淋泵、低压安注泵的零件进行核对，疑似为安全壳喷淋泵和低压安注泵上使用的销6×20，之后通过对该机组所有安全壳喷淋泵和低压安注泵的解体检查，确认为其中一台低压安注泵上使用的销6×20，实物照片如图2所示。其余泵的销钉均没有发生脱落，且固定较牢固。
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图2 销钉实物照片 图3 三种姿态的销钉几何模型
通过对脱落销钉的低压安注泵所有零部件的检查，未发现泵的水力部件叶轮和导叶有任何撞击损伤，泵的出水弯管流道内部也未发现明显的被销钉撞击所产生的痕迹。
该泵在设计时，由于轴承固定座、护管两零件安装销钉处空间较小、零件壁厚较薄，不利于设置防松措施，且考虑到该部位承受力很小，所以没有设置防松措施。而该泵在发货至现场时，是将水泵组装完成后，整体水平放置运输，刚好该销钉位置处于朝向下方的状态，这样在运输过程中，经过长时间的运输颠簸，可能导致该销钉出现松动现象，在现场运行时，水流对该松动销钉部位进行多次长时间冲击，可能导致该处销钉的最终脱落。
该事件发生后采取了必要的放松措施，但为保证机组运行的安全可靠性，本文将通过数字模拟分析泵在不同流量工况下，及销钉不同下落姿态下，该销钉脱落后被泵内输送介质冲击的运动方向及对其他零部件的影响。
1 计算几何模型
销钉脱落后浸没在泵输送的流体介质中，主要承受流体冲击力、浮力和自身重力。在导流体和导流管的圆环腔体内，流动方向和浮力竖直向上，如果销钉承受的流体冲击力加浮力大于自身重力，则销钉向上移动并随介质流到泵出口；反之销钉将向下移动进入导流体。
销钉在流动介质中可能处于不同姿态，包括水平、倾斜、竖直（销钉头部向上）和竖直（销钉头部向下）。倾斜状态时的流体冲击力应处于水平和竖直之间，因此本次分析只考虑水平、竖直（销钉头部向上）和竖直（销钉头部向下）这三种姿态，计算泵在不同流量下销钉承受的流体冲击力。
销钉姿态的销钉几何模型如图3所示：
2 销钉脱落后运行方向的分析
通过CFX求解，得到销钉三种姿态受水流冲击的压力分布，三种姿态销钉周围流体域压力分布分别见图4、5和图6，图中压力为相对压力。
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图4 销钉周围流体域压力分布云图（竖直、销钉头部向下）
图5 销钉周围流体域压力分布云图（竖直、销钉头部向上）
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图6 销钉周围流体域压力分布云图（水平）
2.1流体冲击力
分别提取水平、竖直（销钉头部向上）和竖直（销钉头部向下）三种姿态销钉在不同流量下承受的流体冲击力，结果见表2。
表2 销钉冲击力数据表
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当泵流量大于900 m³/h时，无论销钉处于何种姿态，销钉承受的流体冲击力加浮力大于自身重力，销钉脱落受流体冲击将直接冲到泵出口，不会流经到叶轮、导流壳之间，对转子和定子部件造成冲击。
水平、竖直（销钉头部向上）和竖直（销钉头部向下）三种姿态销钉在不同流量下承受的流体冲击力曲线如图7所示。
3 销钉撞击分析
3.1 材质及其力学性能
表3 承压件件材质及其力学性能（120 ℃）
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注：基本许用应力S根据RCC-M第一册附录ZⅠ 设计用材料特性查得。
3.2 评定准则
评定标准如下式：
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其中，
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为最大主应力，
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为基本许用应力。
3.3 几何模型
销钉体积较小，撞击泵座弯管时只会对其局部产生影响。为简化计算，截取弯管撞击处100mm×100mm面积的实体作为撞击靶体。销钉撞击泵座弯管三维模型如图8所示。
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图7 销钉不同姿态流体冲击力曲线 图8 销钉撞击泵座弯管三维模型
3.4 网格划分
网格划分在ANSYS mesh中完成，销钉与泵座弯管均采用三维实体单元（SOLID164）。网格数量已做无关性检查，当网格数为8.6万时，计算结果不再明显变化。销钉撞击泵座弯管有限元模型如图9所示。
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图9 销钉撞击泵座弯管有限元模型
3.5 边界条件
3.5.1 约束条件
泵座弯管四周面采用全约束。
3.5.2 接触条件
销钉与泵座弯管建立体交互，其接触-碰撞面采用罚函数法，不考虑摩擦。
3.5.3 载荷条件
泵流量为1100m³/h时弯管处的水流速度为3.92m/s，销钉上限移动速度不超过水流速度。本次分析保守取销钉移动速度为4m/s，方向竖直向上。
3.5.4 加载时间
（1）加载时间：0.001s。
（2）时间步长：∆t≤f×[h/c]_min。
f为安全因子，取f=1；
h为单元特征长度，经测算h=0.2mm；
c为材料声速，c=5000m/s。
∆t=0.00000004s
3.6 结果及评价
3.6.1 撞击力
销钉撞击力在0.0001s时达到峰值1972.6N。销钉撞击力曲线如图10所示。
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图10 销钉撞击力曲线
3.6.2 等效塑性应变
销钉撞击泵座弯管时，泵座弯管被撞击处等效塑性应变如图11所示，等效塑性应变时程曲线如图12所示。
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图11 等效塑性应变 图12 等效塑性应变时程曲线
3.6.3 等效应力
销钉撞击泵座弯管时，泵座弯管被撞击处等效应力如图13所示，等效应力时程曲线如图14所示。
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图13 等效应力 图14 等效应力时程曲线
3.6.4 最大主应力
销钉撞击泵座弯管时，泵座弯管被撞击处最大主应力如图15、图16所示，最大主应力时程曲线如图17所示。撞击处应力为负值（压应力），应力值为9.0396 MPa；撞击处弯管外壁应力值为3.3191 MPa，远小于泵座的基本许用应力103 MPa，满足的应力评定标准。
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图15 最大主应力（泵座弯管内壁）
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图16 最大主应力（泵座弯管外壁）
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图17 最大主应力时程曲线
4、结论
本文通过低压安注泵内部销钉脱落后产生的影响进行数值模拟研究，可以得出如下结论：
（1）当泵流量大于900 m³/h时，无论销钉处于何种姿态，销钉承受的流体冲击力加浮力大于自身重力，销钉脱落受流体冲击将直接冲到泵出口，不会流经到叶轮、导流壳之间，对转子和定子部件造成冲击；
（2）销钉脱落受流体冲击直接冲到泵出口，经过出水弯管时撞击弯管内壁，通过动力学分析得到撞击处应力为负值（压应力），应力值为9.0396 MPa；撞击处弯管外壁应力值为3.3191 MPa，远小于泵座的基本许用应力103 MPa，满足的应力评定标准。销钉脱落后与泵的撞击不会对泵上的零部件造成损伤。
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