球形管板の3次元構造解析法の開発

The development of three-dimensional structure analysis method of the dished tubesheets

高正 英樹*; 笠原 直人; 柄谷 和輝*

Takasho, Hideki*; Kasahara, Naoto; Kazuteru Garatani/CRC Solution*

実用高速炉では、経済性の要求から冷却ループの大容量化とループ数削減を指向しており、熱交換器が大型化する方向である。また、冷却材に液体金属ナトリウムを使用することから信頼性の高い2重伝熱管の採用が計画されており、その結果、溶接の不要な直管型となることから、伝熱管本数が増大する傾向にある。以上から、蒸気発生器は大型の2重直管型となり、耐圧設計との兼ね合いから大型球形管板が必要になる。大型球形管板を実用化するには、複雑3次元形状に対する構造解析法の確立が必要となる。従来の管板解析法は、多孔部を等価中実板に置き換えて平均的な応力を求め、それに集中係数を乗じることで孔縁のピーク応力を求めるものであった。球形管板では、最大応力が生じる外縁の孔廻りの異方性が強いことから、応力集中係数による評価精度が低下する。このため、孔廻りの詳細形状を考慮した3次元解析が望まれる。3次元解析は、外縁の孔廻りに限定した部分孔開きモデルとしても大規模になるため、通常の直接法ソルバでは計算が難しくなる。このため、大規模解析で計算効率の高くなる反復ソルバを開発し、FINASへ実装した。実用化戦略調査研究で検討されている直管型球形管板を対象として、部分孔開きモデルを作成したところ100万自由度を越す大きさとなった。反復ソルバを組み込んだFINASとPCを用いて手動トリップを想定した20ステップの熱過渡弾性応力解析を行ったところ、72時間で解析が終了した。以上から球形管板に対する3次元構造解析法の適用性が確認できた。

Commercialized fast reactors, intend to adopt large scale heat exchangers, since they aim at capacity enlargement and reduction of the cooling loops from a demand of the economical efficiency. And, they have planned the adoption of the double-wall heat transfer tubes for reliable design against sodium coolant, which become straight type without tube welding. As the result, steam generators change to large double straight pipe types and the large-scale dished tubesheets are required from a balance with the pressure proof design. The establishment of method of structural analysis for the complicated and three-dimensional shape is required in order to realize the large-scale dished tubesheets. Conventional analysis models for tubesheets are equivalent solid plates with stress multipliers, which are difficult to be applied to dished tubesheets since their un-homogeneity. A large-scale three-dimensional analysis model is desirable to consider precious configurations around holes.. The iterative solver for efficiently calculating, when the large-scale analysis is carried out, was developed, and it was mounted to FINAS code. A dished tubesheet model for commercialized fast reactors was made in three-dimensional element which exceeded 1 million degrees of freedom. FINAS code with the iterative solver analyzed thermal transient stress under the manual trip condition. 20 step calculation was carried out within 72 hours on PC. As the result, it was confirmed that applicability of three dimensional analysis methods to dished tubesheets.