基于有限單元法的安全殼結(jié)構(gòu)靜力分析

宋永軍

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000

安全殼作為核電機組第三道安全屏障保護環(huán)境與公眾，反應(yīng)堆正常運行期間防止放射性物質(zhì)外逸。當反應(yīng)堆發(fā)生失水事故（Loss Of Coolant Accident，即LOCA）時，釋放出大量放射性和高溫高壓汽水混合物可被它包容和隔離，防止對核電站周圍居民產(chǎn)生危害。所以安全殼建筑結(jié)構(gòu)就需要有足夠的強度和密封性能。根據(jù)RCC-G（86），核電站首次停堆換料期間須進行安全殼整體打壓試驗（Containment Total Test，即CTT），檢驗安全殼強度在LOCA工況下是否滿足要求。安全殼強度的驗收準則是安全殼強度抗力隨壓力呈線性可逆變化，靜態(tài)形變隨壓力呈線性彈性可逆變化。驗收過程采用的方法是以設(shè)計計算的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)為預(yù)期值，和試驗壓力下測量的相應(yīng)值比較，確證安全殼的彈性表現(xiàn)與計算結(jié)果相吻合[1]。

1 安全殼有限單元模型建立

有限元法將連續(xù)體離散化為若干個有限大小的單元體集合，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。其一般求解思路為：創(chuàng)建有限元模型并劃分單元網(wǎng)格、施加載荷并求解、后處理過程。

安全殼是一個圓柱形的配有鋼襯里的預(yù)應(yīng)力混凝土筒體，其上頂為半球形穹頂，下底為筏基，預(yù)應(yīng)力混凝土提供足夠的強度抗力，鋼內(nèi)襯保證安全殼的密封性能[2]。安全殼筒體和穹頂采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，筒體鋪設(shè)垂直和水平兩類預(yù)應(yīng)力鋼絞線，垂直鋼絞線套管從預(yù)應(yīng)力廊道上至頂部。上，下底與筒體用預(yù)應(yīng)力鋼纜張緊而構(gòu)成一個整體。安全殼施加載荷分別為：預(yù)應(yīng)力工況載荷=DOF+G+F；反應(yīng)堆失水事故工況載荷=DOF+G+F+Pe；DOF：自由度約束；G：恒載；F：安全殼預(yù)應(yīng)力效應(yīng)；Pe：安全殼LOCA設(shè)計壓力0.42MPa.g；慣性載荷通過密度來施加，安全殼混凝土采用PS40型，混凝土密度2.5×103kg/m3，楊氏彈性模量E=40000MPa，泊松比γ=0.2，重力加速度取9.8m/s2。對地面以下部分施加三個方向位移約束。反應(yīng)堆發(fā)生失水事故工況時產(chǎn)生的設(shè)計壓力0.42MPa.g，作為表面載荷施加于安全殼內(nèi)表面。壓水堆安全殼預(yù)應(yīng)力以“等效載荷”的方式施加到結(jié)構(gòu)上。

2 反應(yīng)堆失水事故安全殼結(jié)構(gòu)強度分析

主冷卻劑管道破裂事故，反應(yīng)堆一回路熱端雙端斷裂，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)卸壓結(jié)束時（破裂后20s），絕對壓力達到0.499MPa峰值，與安全殼設(shè)計絕對壓力0.52MPa相比，達到了要求的裕度。安全殼建造初期在混凝土內(nèi)部預(yù)埋了一定數(shù)量傳感器，通過數(shù)據(jù)采集與積累對結(jié)構(gòu)性能進行永久性的監(jiān)測，這些測量裝置組成了安全殼儀表系統(tǒng)。安全殼整體試驗的驗收方法是以安全殼設(shè)計計算的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)為預(yù)期值，與安全殼試驗壓力下測量的相應(yīng)值比較，確保安全殼的彈性表現(xiàn)與計算結(jié)果相符。顯然，反應(yīng)堆失水事故工況與預(yù)應(yīng)力工況下位移、應(yīng)變的差值，就是內(nèi)壓0.42Mpa所貢獻的。下文將用理論計算值、建模仿真值、安全殼整體試驗實測值相互比較，分析安全殼結(jié)構(gòu)性能[3]。

在安全殼建造期間，在穹頂、筒壁、筏基不同位置安裝了52個振弦式聲頻應(yīng)變儀來測量混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變并做溫度修正。某核電廠1號機組安全殼整體打壓試驗期間測得0.42MPa壓力下，筒體切向應(yīng)變211.6um/m，筒體豎向應(yīng)變53.7um/m，穹頂環(huán)向應(yīng)變71um/m，穹頂徑向應(yīng)變117um/m。同樣，我們通過模型仿真分析，還可以得到一組仿真結(jié)果。仿真得到0.42MPa內(nèi)壓對安全殼應(yīng)變貢獻值：筒體環(huán)向應(yīng)變200um/m，筒體豎向應(yīng)變73.76um/m，穹頂環(huán)向應(yīng)變119.96um/m，穹頂豎向應(yīng)變84.4um/m。另一方面，我們可以通過力學(xué)分析，理論計算LOCA工況下安全殼應(yīng)變值。安全殼筒體和穹頂?shù)幕炷两Y(jié)構(gòu)，在安全殼加壓時應(yīng)力應(yīng)變可用受壓容器的力學(xué)計算公式表示。安全殼穹頂計算公式如下：穹頂?shù)膽?yīng)力：

3 結(jié)語

利用計算機及工程應(yīng)用軟件，可以額外提供一種安全殼結(jié)構(gòu)強度分析方法——建模仿真。仿真分析最大的優(yōu)點就是直觀，工程人員根據(jù)結(jié)果文件，對實體結(jié)構(gòu)有了直觀認識，對安全殼結(jié)構(gòu)評價分析有很大的幫助。在前文的論述中，我們將仿真結(jié)果與理論計算值、安全殼整體試驗測量值進行了比較，得到結(jié)論：安全殼在整體打壓試驗過程其測量值與仿真預(yù)期值接近，說明安全殼呈現(xiàn)線彈性變化，混凝土彈性模量與泊松比與設(shè)計值接近，說明該機組安全殼具有較好的強度性能。