王成立，李毅男

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094)

某AP1000核電廠循環(huán)水泵房方案結(jié)構(gòu)方案研究

王成立，李毅男

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094)

由于核電的循環(huán)水量較火電大，泵房的體積也更大，尤其是AP1000堆型中的循環(huán)水泵房尚無運行經(jīng)驗，而泵房結(jié)構(gòu)的不規(guī)則、大體積等給設(shè)計帶來許多新問題。某AP1000核電機組的循環(huán)水泵房，參照國內(nèi)外百萬兆瓦機組循環(huán)水泵房的結(jié)構(gòu)布置及相關(guān)規(guī)范要求，對不同工況組合進行整體數(shù)值分析，提出了循環(huán)水泵房的分縫方案及溫度控制措施，同時提取了泵房結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

AP1000；泵房；數(shù)值分析；分縫。

1 概述

某AP1000技術(shù)核電廠設(shè)計容量為6臺1000 WM級核電機組，一期建設(shè)兩臺。

根據(jù)勘測報告，在常規(guī)島、取水構(gòu)筑物及BOP建筑物區(qū)無斷裂構(gòu)造通過，地層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，地基條件較好，未發(fā)現(xiàn)其它不良地質(zhì)作用，勘察場地是穩(wěn)定的，巖體內(nèi)不存在引起較大差異沉降的軟弱地層。地震基本烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值0.05 g。

2 循環(huán)水泵房的設(shè)計依據(jù)及結(jié)構(gòu)布置

2.1 循環(huán)水泵房的設(shè)計依據(jù)

2.1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

由于AP1000技術(shù)核島的最終熱阱為大氣，因此電廠的取水系統(tǒng)按非核安全級設(shè)計，根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》，循環(huán)水泵房可歸為Ⅲ類物項，即核電廠中與核安全無關(guān)的物項，結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可參考火電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；而其他核電堆型比如嶺澳的聯(lián)合泵房需要向核島重要生水系統(tǒng)水泵供水，秦山核電的聯(lián)合泵房為反應(yīng)堆提供安全廠用水，均屬于Ⅰ類物項，需要按《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求進行抗震設(shè)計。

另外，AP1000技術(shù)電廠設(shè)計壽命為60年，因此循環(huán)水泵房的設(shè)計使用年限也為60年，這與常規(guī)火電設(shè)計使用年限50年相比有所區(qū)別，而現(xiàn)行中國規(guī)范無論對于混凝土的耐久性考量還是對于風(fēng)壓、雪壓等荷載的重現(xiàn)期的年限都只有50年和100年，在沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范能參考的情況下，我們從核電站相對火電重要性的角度考慮，荷載重現(xiàn)期按照100年一遇來取值。

2.1.2 混凝土標(biāo)號及參數(shù)選取

計算分析采用的混凝土標(biāo)號及耐久性的選擇也是一個新問題，首先《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》和《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》關(guān)于混凝土標(biāo)號的選擇就不盡一致，加上AP1000技術(shù)60年的設(shè)計使用年限使得選擇更加困難。為此，我們專門召開了專家評審會，就混凝土標(biāo)號及耐久性問題進行討論，考慮到《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》出版時間在后，而且為國標(biāo)，最后決定參照耐久性規(guī)范來選取混凝土標(biāo)號及耐久性指標(biāo)。在海水氯化物環(huán)境下，若按照100年使用年限則需要采用C45混凝土，而50年使用年限采用C40混凝土，由于混凝土標(biāo)號越高，其脆性越厲害，裂縫控制更困難，而大體積混凝土經(jīng)常容易出現(xiàn)裂縫問題，同時考慮到隨著使用年限的增加，混凝土的強度是緩慢增長的，最后專家們建議采用C40混凝土。

混凝土的其他力學(xué)參數(shù)依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》選取，地基的力學(xué)參數(shù)依據(jù)勘測報告提供的數(shù)值，荷載分項系數(shù)依據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選取。

2.2 循環(huán)水泵房的結(jié)構(gòu)布置

某核電廠的循環(huán)水系統(tǒng)采用明取明排方案。該系統(tǒng)由取水防坡堤、取水明渠、循環(huán)水泵房、虹吸井、排水溝、排水口等組成。根據(jù)工藝專業(yè)布置，一期工程循環(huán)水泵房采用一機三泵方案，兩臺機組共用一座泵房，循環(huán)水泵房區(qū)域主要包括三部分：循環(huán)水泵區(qū)域、流道濾網(wǎng)區(qū)域，取水前池區(qū)域。其中循環(huán)水泵區(qū)域、流道濾網(wǎng)區(qū)域分上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)泵池、流道、前池采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兼做泵房基礎(chǔ)，泵房兩側(cè)跨采用獨立柱基礎(chǔ)，不需特殊處理。

循環(huán)水泵區(qū)域上部結(jié)構(gòu)平面尺寸為115.2×21 m，高19.34 m，下部泵池平面尺寸為100.2×21 m，深21.1 m；流道濾網(wǎng)區(qū)域平面尺寸為110.3× 35.8 m，深24.1 m。

考慮到結(jié)構(gòu)尺寸已遠超過規(guī)范允許的伸縮縫間距值，設(shè)置了2道伸縮縫。在流道濾網(wǎng)區(qū)和取水前池區(qū)之間設(shè)置一道，在循環(huán)水泵區(qū)和流道濾網(wǎng)區(qū)中央設(shè)置一道。之所以選擇在流道濾網(wǎng)區(qū)和取水前池區(qū)設(shè)置一道伸縮縫是因為該兩部分是相對獨立的結(jié)構(gòu)，同時該方向的長度達到86.8m，遠超過了規(guī)范允許的伸縮縫設(shè)置長度限制；而在循環(huán)水泵區(qū)和流道濾網(wǎng)區(qū)中央設(shè)置一道是由于該泵房一機三泵，兩臺機組公用一個泵房，兩臺機組的泵房結(jié)構(gòu)設(shè)置基本一致，同時該方向的長度達到100.2m，也已經(jīng)遠超過規(guī)范要求，在中央設(shè)置一道伸縮縫后，泵房左右兩邊基本對稱。雖然設(shè)置了兩道伸縮縫，但結(jié)構(gòu)的長度仍然超出了規(guī)范的要求，為此，我們對泵房的2道伸縮縫設(shè)置方案進行了計算分析，根據(jù)分析結(jié)果來判斷伸縮縫的設(shè)置能否滿足結(jié)構(gòu)相關(guān)要求，然后決定是否還需要增加伸縮縫的設(shè)置。

除了設(shè)置伸縮縫來解決溫度應(yīng)力外，我們在泵房底板與墊層之間也采取設(shè)置隔離層等構(gòu)造措施來控制溫度應(yīng)力，同時對大體積混凝土的施工方法也提出了一定的建議和要求。

循環(huán)水泵房的結(jié)構(gòu)布置見圖1、圖2、圖3。

圖1 循環(huán)水泵房平面布置圖(▽8.4m)

圖2 循環(huán)水泵房平面布置圖(▽0.2m)

圖3 循環(huán)水泵房的剖面圖

3 循環(huán)水泵房的內(nèi)力分析

3.1 計算方法及軟件

考慮到泵房的大體積及不規(guī)則，常規(guī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法不能實現(xiàn)設(shè)計深度要求，循環(huán)水泵房計算分析采用三維有限元數(shù)值模擬方法，并采用國內(nèi)外通用的ANSYS大型商業(yè)軟件。

3.2 單元類型及邊界條件

單元類型采用SOLID45單元，用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)或者混凝土厚板結(jié)構(gòu)。單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x、y、z方向平移的自由度。單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變能力。

泵房底板下部取一定范圍的基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)側(cè)面垂直約束，基礎(chǔ)底面三向約束。坐標(biāo)y為深度方向，正方向豎直向上，取值與海拔絕對標(biāo)高相同；坐標(biāo)z=0取在模型出口邊墻處，正方向逆水流方向；坐標(biāo)x=0取在模型最左側(cè)，正方向向右。循環(huán)水泵房一共6臺機組，按照設(shè)計方案，整個循環(huán)水泵房結(jié)構(gòu)在中間處設(shè)置一條100 mm寬的抗震伸縮縫，在小變形假設(shè)及彈性范圍內(nèi)可以忽略左右兩部分模型之間的相互影響。因此實際計算時僅考慮一半的模型進行分析計算，一半模型泵房結(jié)構(gòu)的尺寸為57.05 m×55.1 m×24.1 m(長×寬×高)。

本次計算模型不包括泵房8.4 m處的廠房，廠房上部結(jié)構(gòu)計算得到柱子的內(nèi)力作為荷載施加在泵房結(jié)構(gòu)上，以此考慮廠房對泵房結(jié)構(gòu)的影響。

泵房及基礎(chǔ)的有限元模型見圖4、圖5。

圖4 泵房及基礎(chǔ)的有限元模型

圖5 泵房整體模型

3.3 循環(huán)水泵房內(nèi)力分析

3.3.1 內(nèi)力符號約定及內(nèi)力圖坐標(biāo)軸定義

內(nèi)力符號均符合以下約定：軸力以壓力為負，拉力為正；彎矩以板沿著坐標(biāo)軸負向受拉時為正，正向受拉為負；剪力以使隔離體順時針轉(zhuǎn)動者為正。以下各表中，軸力、剪力單位為kN，彎矩單位為kN·m。內(nèi)力圖坐標(biāo)軸定義：內(nèi)力圖的縱坐標(biāo)為彎矩、軸力、剪力，橫坐標(biāo)為整體坐標(biāo)系下相應(yīng)截面位置坐標(biāo)。

3.3.2 內(nèi)力分析

參照《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》DL/T 5339-2006的6.5.3.2條及工藝資料，對循環(huán)水泵房考慮百年一遇設(shè)計高水位3.59 m和設(shè)計低水位-3.27 m，千年一遇校核高水位4.81 m，并與波浪荷載、回填土壓力、內(nèi)外水壓力、結(jié)構(gòu)自重等作用進行工況組合。循環(huán)水泵房設(shè)計工況共有21個工況，這里以第1流道右隔墻為例來分析。

圖6所示為工況1第1流道右隔墻主應(yīng)力云圖，圖7所示為工況1流道右隔墻內(nèi)力圖。

圖6 第1流道右隔墻主應(yīng)力云圖(工況1)

圖7 第1流道右隔墻Z=41.65處內(nèi)力圖(工況1)

從圖8所示內(nèi)力圖分析得到工況1時隔墻Z=41.65 m處控制內(nèi)力情況為：最大正彎矩為560.41kN.m，對應(yīng)軸力為-1338.09 kN，剪力為-120.02 kN；最大負彎矩為-502.30 kN.m，對應(yīng)軸力為-647.45 kN，剪力為-152.41 kN。

分析計算21個工況，并編制程序找出內(nèi)力最大值，繪制包絡(luò)圖，即可得到底板的危險工況及內(nèi)力。圖8所示為正彎矩內(nèi)力包絡(luò)圖及危險截面的位置。

圖8 正彎矩最大值Mmax與LOC關(guān)系圖及CASE與LOC關(guān)系圖(Z=41.65)

由圖8可見，最大正彎矩發(fā)生在標(biāo)高約-13 m左右，為循環(huán)水泵房底板處，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)定性分析可知內(nèi)力分布規(guī)律合理。

類似方法及步驟，即可得到泵房所有構(gòu)件的危險截面及內(nèi)力，并能找出危險內(nèi)力發(fā)生的工況。根據(jù)內(nèi)力情況即可進行泵房的設(shè)計和配筋。

3.4 伸縮縫驗證

在循環(huán)水泵房中間(X向)設(shè)置一條伸縮縫的情況下，循環(huán)水泵房最頂端相對底板與基巖接觸面之間x方向的最大相對位移為：0.53 mm，滿足設(shè)置伸縮縫的要求。

在X向設(shè)置一道伸縮縫后求，雖然泵房X向長度為50 m，仍超出規(guī)范要求，但通過計算并采取設(shè)置隔離層等構(gòu)造措施，已能滿足設(shè)計要求，沒有必要對循環(huán)水泵房X向設(shè)置兩條以上的伸縮縫。

4 結(jié)論

⑴對于AP1000循環(huán)水泵房結(jié)構(gòu)由于其體積大、不規(guī)則的特點，常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算手段不能滿足設(shè)計深度要求，需要采用數(shù)值分析方法進行整體建模分析；

⑵AP1000泵房由于體型復(fù)雜，工況數(shù)往往較多，需要從眾多工況中提取危險工況的內(nèi)力數(shù)據(jù)，其工作量巨大，需要編制數(shù)據(jù)處理程序，簡化工作量；

⑶由于AP1000循環(huán)水泵房與其他核電堆型的泵房及常規(guī)火電泵房的不同，使得其從荷載取值及混凝土強度等級等方面都有其特殊性；

⑷由于結(jié)構(gòu)長度超過規(guī)范設(shè)計限值，泵房考慮設(shè)置2道伸縮縫，并通過計算可知伸縮縫的設(shè)置合理。

[1]DL 5073-2000，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]DL/T 5057-2009，水工混凝土設(shè)計規(guī)范[S]．

[3]DL/T 5339-2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范[S]．

[4]GB 50069-2002，給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

Structure Plan of Circulating Water Pump Workshop of Some AP1000 Nuclear Power Plant

WANG Cheng-li, LI Yi-nan
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094, China)

Circulating water fl ow of nuclear power plant is larger than that of thermal power plant, so is the volume of pump house. Especially, there is no experience on running of circulating water pump house of AP1000 nuclear power plant and there are many new problems of the design due to the irregularity and large volume of the pump house structure. A comprehensive numerical analysis was performed for different combinations of working conditions of the circulating water pump house of an AP1000 nuclear power unit with reference to structural schemes of circulating water pump houses of 1000Mwe nuclear power units and relevant speci fi cation requirements both in China and foreign countries. Schemes of division of expansion joints and measures for temperature control were proposed and internal forces of pump house structure were extracted, which provides a reference for structural design of circulating water pump houses of other AP1000 nuclear power plants.

pump house; numerical analysis; expansion joint.

TM623

B

1671-9913(2011)01-0075-04

2010-12-10

王成立(1963-)，男，碩士，高級工程師，國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院副院長。