劉婭娟,王敬喜,潘 聰,池 豪,李佳琪

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240)

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核電站某型式濾網(wǎng)單元的抗震分析

劉婭娟,王敬喜,潘 聰,池 豪,李佳琪

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240)

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，建立了核電站某型式濾網(wǎng)單元的三維計算模型，對濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析計算。在濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用等效靜載的方法對濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)在自重、壓強(qiáng)和地震載荷下進(jìn)行了抗震分析。并依據(jù)ASME規(guī)范卷III的要求，對濾網(wǎng)單元在D級使用限制條件下的應(yīng)力進(jìn)行組合和評估。結(jié)果表明該濾網(wǎng)單元的設(shè)計滿足ASME規(guī)范卷III的要求。

核電站； 濾網(wǎng)單元； 抗震分析； 應(yīng)力評定

為了保證核電站的安全運行與正常停堆，根據(jù)相關(guān)安全法規(guī)的要求，核安全相關(guān)設(shè)備在各類載荷，特別是地震載荷作用下應(yīng)保持結(jié)構(gòu)完整性[1]。該新型濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)屬于抗震I類的核安全C級設(shè)備，要求在運行和極限安全地震載荷下均能夠保持結(jié)構(gòu)完整性。AP1000核電廠的抗震分析中已取消運行基準(zhǔn)地震(OBE)抗震分析，只用對安全停堆地震(SSE)引起的載荷進(jìn)行分析。

目前，結(jié)構(gòu)抗震計算的方法主要分為兩大類：靜力分析和動力分析。其中靜力分析方法包括準(zhǔn)靜力法和等效靜力法，動力分析方法包括反應(yīng)譜法和時間歷程方法。理論上講，時間歷程計算方法最為準(zhǔn)確，但是計算中需要地震時間歷程載荷；而反應(yīng)譜法計算原理簡單，理論成熟，又能在一定程度上反映結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，因此得到廣泛應(yīng)用[2]。一般來說，可以根據(jù)模態(tài)分析后的結(jié)果來確定抗震分析方法。當(dāng)設(shè)備的固有頻率大于反應(yīng)譜截止頻率時，認(rèn)為設(shè)備是剛體，可以采用靜力分析法來進(jìn)行抗震分析，并用零周期加速度(ZPA)作為假設(shè)加速度；如果設(shè)備的固有頻率小于反應(yīng)譜截止頻率時，抗震分析則需要采用等效靜力法或者動力分析法。

驗證設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性需要考慮其所承受的正常設(shè)計載荷，地震載荷以及設(shè)備外部連接所傳遞的載荷。筆者采用有限元模擬軟件ANSYS建立濾網(wǎng)單元的力學(xué)模型，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在自重、壓強(qiáng)和地震載荷下的抗震分析，并按ASME規(guī)范卷III[3]的要求，對結(jié)構(gòu)在相應(yīng)使用限制條件下的應(yīng)力進(jìn)行組合和評定，得出該濾網(wǎng)單元在反應(yīng)譜峰值加速度下的靜態(tài)響應(yīng)，為其抗震設(shè)計提供一定的參考價值，同時也為了驗證該單元在SSE下的結(jié)構(gòu)完整性。

1 計算模型

1.1 有限元模型

該新型濾網(wǎng)單元主要由多孔板和支撐管組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點建立簡化的三維有限元模型。模型由4節(jié)點殼單元(SHELL181)組成，總共包括330 707個節(jié)點，345 066個單元。主要分析自重(鋼板自重+碎片重量)、水動力重量和安全停堆地震對濾芯單元的整體響應(yīng)。

圖1 濾網(wǎng)單元的幾何模型

1.2 材料

濾網(wǎng)單元的材料為板殼類材料SA-240 TP 304，屬于18Cr-8Ni奧氏體鋼(G材料組系)，依據(jù)ASME規(guī)范第II卷[4]D篇給出的數(shù)據(jù)，并通過線性插值得到相應(yīng)溫度下的材料性能參數(shù)和許用應(yīng)力值。

模型中采用其在148.9 ℃下的性能參數(shù)：E=186 138 MPa，υ=0.3?？紤]濾網(wǎng)單元的多孔板區(qū)域，不利于建模和網(wǎng)格劃分，且所受載荷為均布載荷，依據(jù)ASME規(guī)范卷III 第1冊附錄對多孔板區(qū)域做相應(yīng)簡化[3]。

簡化后的多孔板的等效彈性模量和泊松比的值為E*=61 426 MPa，υ*=0.343。模型中兩種材料參數(shù)見表1。

表1 濾網(wǎng)單元的材料模型

1.3 載荷

過濾器在進(jìn)行抗震分析時，要考慮自重、水動力質(zhì)量、接管載荷、地震載荷以及溫度和壓差的影響。接管和濾網(wǎng)框架間通過柔性墊圈連接，接管載荷可以忽略。由于濾網(wǎng)單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計上對溫度效應(yīng)產(chǎn)生的熱膨脹進(jìn)行了補(bǔ)償，不會產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力，分析中不用考慮溫度的影響。壓差作為一個局部受力，濾網(wǎng)單元整體分析時，壓差會作為內(nèi)部力抵消，不考慮壓差對單元整體結(jié)構(gòu)的局部影響。此分析模型主要考慮自重、水動載荷以及地震載荷組合下產(chǎn)生的水平方向和豎直方向加速度的影響。

1.3.1 自重

主要考慮自身質(zhì)量和碎片質(zhì)量，其中濾芯的質(zhì)量為mcd=69 kg，碎片質(zhì)量為md=11.3 kg。

1.3.2 水動力質(zhì)量

該濾網(wǎng)屬于水下工作部件，承受地震載荷時會在水下進(jìn)行變速運動，導(dǎo)致周圍流體產(chǎn)生加速度，存在附加質(zhì)量的作用。當(dāng)不考慮流體的壓縮性及粘性時，可利用勢流理論來分析結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量，此時附加質(zhì)量僅與結(jié)構(gòu)的形狀以及流體密度有關(guān)[5]。求解得到三個方向的水動力質(zhì)量為：

mhX=204.98 kg
mhY=102.49 kg
mhZ=102.49 kg

其中，X為流道方向，Y為流道垂直方向，Z為濾芯高度方向。

1.3.3 地震載荷

地震載荷一般是采用該設(shè)備所在樓層的樓層響應(yīng)譜作為激勵輸入，對于濾網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)，所有底部支撐件都安裝在同一樓層，設(shè)備所在樓層SSE樓層響應(yīng)譜見圖2，其中Accel-X表示樓層響應(yīng)譜X方向加速度，Accel-Y表示樓層響應(yīng)譜Y方向加速度，Accel-Z表示樓層響應(yīng)譜Z方向加速度。

圖2 地震載荷譜

由樣機(jī)整體的強(qiáng)度分析報告可知，整體設(shè)備的X、Y、Z三個方向的固有頻率分別為39.9 Hz、46.7 Hz、30.4 Hz，其中有兩個方向的固有頻率小于截止頻率。在對濾網(wǎng)單元進(jìn)行分析時，取SSE加速度響應(yīng)譜的最大加速度來進(jìn)行計算。

依照設(shè)計規(guī)范書和ASME規(guī)范卷III[3]，該濾網(wǎng)在安全停堆地震下的阻尼百分比取4%。地震載荷一般要考慮地震激勵的三個方向，SSE加速度響應(yīng)譜X、Y、Z三個方向的峰值加速度分別為3.95 g、1.95 g、2.0 g。

2 載荷組合與使用限制

2.1 載荷組合

根據(jù)設(shè)計規(guī)范書，該設(shè)備有三種載荷類型。該新型濾網(wǎng)單元的設(shè)計載荷組合見表2。載荷組合3的工況組合較載荷組合1和2更為苛刻，且應(yīng)力限制系數(shù)也較為嚴(yán)格，對載荷組合3進(jìn)行分析更為保守。本報告只進(jìn)行第3種載荷組合下的濾網(wǎng)單元的抗震分析。

表2 設(shè)計載荷組合

2.2 使用限制

根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范，卷III-1-NF[3]，該濾網(wǎng)單元可以當(dāng)作板殼型支撐件，應(yīng)用第三強(qiáng)度理論(Tresca理論)來進(jìn)行評定。

結(jié)合濾網(wǎng)單元的設(shè)計載荷組合情況，表3給出D級使用限制下結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力限制。

表3 D級使用限制下的SA 240 TP 304的應(yīng)力限制[3]

3 計算和結(jié)果分析

3.1 分析方法

本文主要針對載荷組合3(W+ΔP+SSE)，對濾網(wǎng)單元進(jìn)行了模態(tài)分析，并在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上用等效靜力法來分析結(jié)構(gòu)在安全停堆地震(SSE)載荷下的響應(yīng)。鑒于目前濾網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)不確定，采用安全停堆地震(SSE)載荷的RRS中峰值加速度作為靜力分析時的等效加速度。計算濾網(wǎng)單元在載荷組合3下的應(yīng)力，按照表3進(jìn)行應(yīng)力評定。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析是為了得到濾網(wǎng)單元的主要模態(tài)，邊界條件不用施加加速度載荷。系統(tǒng)質(zhì)量為濾芯自重時，濾芯在三個方向的主振型的固有頻率為：

X方向：fX=227.32 Hz

Y方向：fY=31.177 Hz

Z方向：fZ=106.50 Hz

三個方向主振型的位移見圖3。

圖3 濾網(wǎng)單元的主振型位移分布

在濾網(wǎng)單元整體結(jié)構(gòu)的抗震分析中需要濾芯內(nèi)碎片以及水動力質(zhì)量對固有頻率造成的影響?？紤]了碎片質(zhì)量和水動力質(zhì)量的總質(zhì)量為mtotX=285.28 kg，mtotY=182.79 kg，mtotZ=182.79 kg，濾網(wǎng)單元在三個方向的主要模態(tài)頻率為：

3.3 等效靜力分析結(jié)果

3.3.1 整體結(jié)果

通過仿真計算，得出濾網(wǎng)單元在SSE地震載荷下的各個方向的位移圖和應(yīng)力圖。濾芯單元的位移見圖4，最大位移為1.74 mm，發(fā)生在濾網(wǎng)單元中間靠近入流口的位置。

圖4 濾芯單元位移分布

濾網(wǎng)單元的應(yīng)力分布見圖5、圖6。

圖5 濾芯的薄膜應(yīng)力分布

圖6 濾芯的薄膜加彎曲應(yīng)力分布

最大薄膜應(yīng)力是111.26 MPa，最大薄膜加彎曲應(yīng)力是179.45 MPa。由應(yīng)力云圖可得：濾網(wǎng)單元的最大薄膜應(yīng)力以及最大膜加彎應(yīng)力都分布在濾網(wǎng)側(cè)面板右上角的彎折處。

按照D級使用限制148.9 ℃下的應(yīng)力限制進(jìn)行評價的結(jié)果見表4。

表4 濾網(wǎng)單元整體應(yīng)力評價 MPa

3.3.2 多孔板

濾網(wǎng)單元板殼結(jié)構(gòu)的多孔板部分在建模時根據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行了簡化，其應(yīng)力分布見圖7和圖8。按照ASME規(guī)范，卷III[3]，第一冊附錄A-8140，計算的多孔板應(yīng)力要乘以系數(shù)P/h后再進(jìn)行應(yīng)力評價，其中P=2.5，h=0.9，P/h=2.8。從多孔板的應(yīng)力云圖可以看出，多孔板側(cè)面彎折處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，進(jìn)行應(yīng)力評價時應(yīng)取這一區(qū)域的整體薄膜/彎曲應(yīng)力。

圖7 多孔板的薄膜應(yīng)力分布

圖8 多孔板的薄膜加彎曲應(yīng)力分布

按照D級使用限制148.9 ℃溫度下的應(yīng)力限制對多孔板區(qū)域進(jìn)行評價：

最大薄膜應(yīng)力(整體)61.82×2.8=173.1 MPa ≤195.5 MPa；

最大薄膜加彎曲應(yīng)力(整體)

82.43×2.8=230.80 MPa ≤293.2 MPa。

多孔板部分的應(yīng)力值均小于D級使用限制下的應(yīng)力限制，滿足ASME規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文通過建立濾網(wǎng)單元的有限元模型，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對模型進(jìn)行了詳細(xì)計算，并根據(jù)ASME規(guī)范，對濾網(wǎng)單元在最苛刻載荷組合工況下的應(yīng)力進(jìn)行了分析和評定。結(jié)果表明，此濾網(wǎng)單元設(shè)計能滿足核電廠對設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的要求。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國建設(shè)部. GB 50267-1997 核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

[2] 李增光,王炯,吳天行. 核電站環(huán)形吊車抗震計算分析[J]. 核動力工程,2008,29(1): 46-49.

[3] ASME鍋爐及壓力容器委員會核動力分委員會. ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范III: 核設(shè)施部件建造規(guī)則[S]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2004.

[4] ASME鍋爐及壓力容器委員會核動力分委員會. ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范II: 材料A篇: 鐵基材料[S]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2004.

[5] 王基盛,楊慶山. 流體環(huán)境中結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量的計算[J]. 北方交通大學(xué)學(xué)報,2003,27(1): 40-43.

Seismic Analysis of a Cartridge for Nuclear Power Plants

Liu Yajuan,Wang Jingxi,Pan Cong,Chi Hao,Li Jiaqi

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

A three-dimensional calculation model was established for a cartridge of nuclear power plant by FEA software ANSYS,with which seismic analysis was conducted on the cartridge structure under the action of gravity,pressure and SSE loads using equivalent static loading method on the basis of model analysis. Meanwhile,stress combination and evaluation were carried out under D stress limits according to requirements of ASME section III. Results indicate that the design of related cartridge meets the requirements of ASME section III.

nuclear power plant; cartridge; seismic analysis; stress evaluation

2016-11-15;

2016-12-06

劉婭娟(1988—)，女，工程師，主要從事電站設(shè)備的結(jié)構(gòu)、流場以及傳熱分析工作。

E-mail: liuyajuan89@163.com

TL362.1

A

1671-086X(2017)04-0259-04