華 君，任 新，馮 萍

（中船重工集團第七○三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151）

核電站用貯氣罐抗震分析

華 君，任 新，馮 萍

（中船重工集團第七○三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151）

采用有限元法，對臺山核電站SBO柴油發(fā)電機組用貯氣罐進行了結構抗震計算分析。介紹了貯氣罐結構的力學建模、載荷條件和地震響應譜分析方法，計算得到了結構的固有頻率、振型和地震載荷下的響應，并根據RCCM規(guī)范對結構在重力、內壓、地震等多種載荷組合下的應力進行評定。結果表明，貯氣罐的結構強度滿足規(guī)范要求。計算結果為貯氣罐的抗震設計提供了依據。

核電站；貯氣罐；抗震；譜分析；應力評定

世界上主要有核國家先后建立了一整套有關抗震設計與鑒定的法規(guī)、導則和規(guī)范[2-3]，從而為核電廠的抗震安全性提供了保證。核電廠抗震設計與鑒定的目的就是保證設備在發(fā)生安全停堆地震（SSE）時，能夠維持結構完整性和可運行性，執(zhí)行其安全功能。

臺山核電站SBO柴油發(fā)電機組配套的貯氣罐，屬于抗震1類設備，其功能安全等級為F2。本文采用有限元前后處理軟件MSC.Patran建立了貯氣罐的力學模型，采用有限元結構分析軟件MSC.Nastran進行了靜力分析、模態(tài)分析及地震響應分析，并依據有關設計規(guī)范和標準進行了應力評定和強度校核，為貯氣罐的抗震設計提供了依據。

1 結構描述

貯氣罐主要由筒體、封頭、人孔、支腿及接管等部件組成，主要設計參數見表1，結構簡圖見圖1。

貯氣罐本體材料為SA516 Gr.70，筒體內徑φ1 000 mm，壁厚20 mm；3個支腿材料為Q235B，其底板和立板壁厚8 mm；接管材料為SA106 Gr.B。材料的力學性能如表2所示。

2 力學模型[5]

分析系統(tǒng)主要采用板殼單元（SHELL）、梁單元（BEAM）和集中質量單元（MASS）建立有限元模型，如圖2所示。其中，貯氣罐筒體、封頭、人孔及支腿采用板殼單元模擬，這是重點分析部件；接管采用梁單元模擬；其他非重點部件比如法蘭、儀表、安全閥等，采用集中質量單元模擬，將質量施加在結構相應的節(jié)點位置。

靜力分析及模態(tài)分析時，將支腿底板焊接處作為固定邊界，約束所有節(jié)點的6個方向自由度。

為進行響應譜分析，建立一個大質量點單元（MASS）模擬大地，支腿底板與基礎錨固板之間為焊接，用剛性連接的多點約束單元（MPC）模擬。地震作用力通過MPC單元傳遞到貯氣罐結構上。

表1 主要設計參數Table 1 Main design parameters

表2 材料的力學性能Table 2 Mechanical property of material

3 載荷條件[6]

靜態(tài)載荷（DW）考慮結構自重、內壓力及外部管道作用于管口的推力載荷。貯氣罐重量約1 675 kg，重力作用方向為-Y軸方向。罐內壓縮空氣最高工作壓力為3 MPa。作用于管口的載荷如表3所示。

地震載荷（SL）采用設備安裝所在位置的設計樓層反應譜（±0.0 m層），阻尼比為0.04，SSE地震反應譜加速度值見表4。

圖1 貯氣罐結構簡圖Fig.1 Sketch of the air storage tank

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element calculating model

表3 管口載荷Table 3 Nozzle load

表4 地震反應譜加速度值Table 4 Acceleration value of the seismic response spectrum

考慮如下兩種載荷組合，分別對應兩種載荷使用限制：

（1）A級載荷使用限制：設計（正常）工況載荷組合：DW。

（2）C級載荷使用限制：緊急工況載荷組合：DW+SL。

4 響應譜分析方法[6]

響應譜分析方法的求解過程簡述如下：

首先進行模態(tài)分析得到固有頻率及振型，然后采用振型分解方法得到各階模態(tài)的響應（包括支反力、位移、應力等），最后利用平方和的平方根（SRSS）法進行組合獲得結構的地震響應。

設ur(t)為單自由度振子由于基座運動uB(t)引起的響應：

采用SRSS法進行組合：

5 應力評定準則

依據RCCM[1]規(guī)范，對于板殼結構單元的應力評定準則見表5。表5中，Pm為總體薄膜應力，Pb為彎曲應力，S為材料的基本許用應力，見表2。

對于角焊縫的應力評定，依據歐洲規(guī)范EN1993-1-8[4]，應滿足下式：

式中：σw為焊縫的計算應力；

[σ]=0.85S為焊縫的許用應力；

σ⊥為垂直于焊縫有效截面的正應力；

τ⊥和τ//分別為有效截面內垂直和平行于焊縫長度方向的切應力，如圖3所示。圖中的a為角焊縫有效厚度。

表5 板殼單元應力評定準則Table 5 Stress evaluating criterion for the board unit

6 計算結果與評定

6.1 固有頻率

采用Lanczos方法進行模態(tài)分析，得到50 Hz以內的所有模態(tài)。結構第1階頻率為29.309 Hz，其模態(tài)振型見圖4。

6.2 結構應力評定

貯氣罐本體及支腿應力評定結果見表6，其中本體的應力計算考慮了鋼板腐蝕裕量的影響。結構在DW+SL工況下的應力云圖見圖5。

6.3 焊縫應力檢查

貯氣罐底板錨固角焊縫高度為8 mm，焊縫有效厚度a=5.6 mm。按C級載荷（DW+SL）工況的最大支反力考慮，焊縫計算應力為9.90 MPa，遠低于許用應力122 MPa，滿足強度要求。

圖3 角焊縫示意圖Fig. 3 Sketch of fillet weld

表6 結構應力評定Table 6 Evaluation of structure stress

圖4 第1階模態(tài)振型圖Fig.4 No.1 primary vibration mode diagram

圖5 應力云圖（DW+SL工況）Fig.5 Stress cloud chart (DW+SL work condition)

7 結論

本文應用有限元法對貯氣罐進行抗震計算分析，并根據RCCM[1]規(guī)范要求對結構進行了應力評定。結果表明：貯氣罐結構設計滿足抗震性能要求。

[1] RCCM-2005，壓水堆核電站核島機械設備設計和建造規(guī)則[S].（RCCM-2005，Design and Construction Criteria for NI Mechanical Equipment of PWR NPP[S].）

[2] GB 50267—1997，核電廠抗震設計規(guī)范[S].（GB 50267—1997，Nuclear Power Plant Aseismic Design Criteria[S].）

[3] HAF 0215（1），核電廠的抗震設計與鑒定[S].（HAF 0215 (1)，Nuclear Power Plant Seismic Design and Authentication [S].）

[4] EN 1993-1-8， Eurocode 3，Design of steel structures，Part 1-8，Design of joints[S].

[5] 劉兵山，黃聰，等. Patran從入門到精通[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003.（LIU Bing-shan，HUANG Cong，et al. Patran from Entry Level to Proficiency [M]. Beijing：China Water Power Press，2003.）

[6] 張永昌. MSC.Nastran有限元分析理論基礎與應用[M]. 北京：科學出版社，2004.（ZHANG Yongchang. Theoretical Basis and Application for MSC Nastran Finite Element Analysis[M]. Beijing：Science Press，2004.）

Anti-seismic analysis for air storage tank used in the nuclear power plant

HUA Jun，REN Xin，FENG Ping
(Wuxi Branch of No.703 Research Institute of CSIC，Wuxi of Jiangsu Prov. 214151，China)

This text calculates and analyses the structure of the air storage tank used for the SBO diesel generator set of Taishan nuclear power plant through finite element method， and simply introduces the mechanical modeling， loading condition and seismic response spectrum analyzing method for the structure， then get the natural frequency， vibration mode and response under seismic load of the structure through calculation. Evaluate the stress under the combined load such as gravity， internal stress， seism of the structure according to RCCM. The result shows that the structure intensity of the air storage tank meets the requirements of the specification. The calculating result gives the accordance for the seismic design of the air storage tank.

nuclear power plant；air storage tank；anti-seismic；spectrum analysis；stress evaluation

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2011)04-0366-06

TM623

A

1674-1617(2011)04-0366-06

2011-07-04

華 君（1978—），男，江蘇無錫人，高級工程師，本科，從事核電廠用應急柴油發(fā)電機組成套設計及研究工作。