唐雨建 寧慶坤 弓振邦 劉樹斌

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840）

非能動(dòng)氫復(fù)合器的應(yīng)力分析和評(píng)定

唐雨建 寧慶坤 弓振邦 劉樹斌

（中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840）

非能動(dòng)氫復(fù)合器是核電站重要的安全屏障，能夠避免核電站因氫氣積聚而引發(fā)的燃燒和爆炸。在福島核事故之后，國(guó)內(nèi)外核電站更加重視非能動(dòng)氫復(fù)合器的作用。本文主要研究非能動(dòng)氫復(fù)合器在地震和LOCA工況下的應(yīng)力狀態(tài)。利用有限元軟件ANSYS建立模型，合理考慮LOCA工況下氣流載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，最后按照RCC-M規(guī)范進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)滿足RCC-M規(guī)范的相關(guān)要求。本文可以為非能動(dòng)氫復(fù)合器應(yīng)力分析與評(píng)定提供參考。

非能動(dòng)氫復(fù)合器，ANSYS，應(yīng)力分析，RCC-M

非能動(dòng)氫復(fù)合器分為30型和50型兩種，每種分別具有立式焊接、立式錨接和水平錨接等三種支撐形式。首先對(duì)30型和50型的氫復(fù)合器進(jìn)行模態(tài)分析，顯然，在支撐形式相同的情況下，50型的框架越大，其固有頻率越低，對(duì)應(yīng)的地震載荷越大。因此采用有限元軟件ANSYS對(duì)50型非能動(dòng)氫復(fù)合器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的建模和應(yīng)力分析，其計(jì)算結(jié)果可以包絡(luò)30型的非能動(dòng)氫復(fù)合器。本文以水平錨接的支撐形式為例，依據(jù)RCC-M規(guī)范對(duì)其在各級(jí)工況載荷組合作用下的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。

50型水平錨接非能動(dòng)氫復(fù)合器由框架、面板、催化床抽屜和支撐等組成。框架是由角鋼組焊而成的框架結(jié)構(gòu)，框架外部由面板和殼體覆蓋，底部插入一個(gè)催化床抽屜。框架上的地腳槽鋼通過4個(gè)M16與水平支架連接，水平支架通過8個(gè)錨栓與地基相連接[1]。設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該設(shè)備屬于RCC-MNC級(jí)，但有抗震要求，本報(bào)告按RCC-M規(guī)范對(duì)三級(jí)部件的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證該設(shè)備在地震和LOCA條件下是否能夠保證結(jié)構(gòu)的完整性。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configure of passive hydrogen autocatalytic recombiner.

1 材料屬性

框架和支架的材料都為0Cr18Ni9，RCC-M規(guī)范[2]的對(duì)應(yīng)材料為Z6CN18-10鋼。高溫下的材料屬性通過RCC-MR 2002 A3查詢[3]得到，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 0Cr18Ni9在各溫度下的材料屬性Table 1 Material properties of 0Cr18Ni9.

2 載荷工況和規(guī)范要求

2.1載荷工況

設(shè)備在各運(yùn)行工況時(shí)，承受以下三種載荷。

自重：50型非能動(dòng)氫復(fù)合器(水平錨接支撐) 計(jì)算總質(zhì)量約為285 kg，記為DW。

地震載荷：OBE地震取RX廠房29.00 m和RC安全殼40.0 m的樓層包絡(luò)譜，阻尼比為2%譜；SSE地震的譜值為OBE地震阻尼比4%的譜值的2倍。分別記為OBE和SSE。

LOCA工況的氣流載荷：氣流速度為64 m/s，氣流密度為2.05 kg/m3，計(jì)算中采用相同量級(jí)的壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)。氣流產(chǎn)生的壓強(qiáng)按下列公式計(jì)算：w=0.5ρ×v2，其中w為壓強(qiáng)(kN/m2)，v為速度(m/s)， ρ為密度(kg/m3)，記為L(zhǎng)OCA[4]。

2.2工況組合

分析評(píng)定時(shí)，正常工況和異常工況考慮電廠正常運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度作為支撐和殼體及其相關(guān)附件的溫度；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的環(huán)境溫度作為支撐的溫度，對(duì)殼體及其相關(guān)附件的評(píng)定，需要在環(huán)境溫度基礎(chǔ)上考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況氫氣復(fù)合所引起的溫升；嚴(yán)重事故工況考慮嚴(yán)重事故的環(huán)境溫度作為支架的溫度，對(duì)殼體及其相關(guān)附件的評(píng)定，需要在環(huán)境溫度基礎(chǔ)上考慮嚴(yán)重事故工況氫氣復(fù)合所引起的溫升。非能動(dòng)氫復(fù)合器抗震計(jì)算的溫度和載荷等按表2考慮[1]。

DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040647

表2 溫度工況和載荷條件Table 2 Temperature conditions and load conditions.

2.3規(guī)范要求

2.3.1 框架應(yīng)滿足的規(guī)范

該設(shè)備為核安全3級(jí)，由于氫復(fù)合器是非能動(dòng)部件，抗震類別為1I類，即要求設(shè)備在SSE地震和LOCA工況下能保證完整性。表3列出評(píng)定準(zhǔn)則和相應(yīng)的應(yīng)力限值。

表3 框架的評(píng)定準(zhǔn)則和許用應(yīng)力極限Table 3 The evaluation criteria and allowable stress limit.

2.3.2 支架應(yīng)滿足的規(guī)范

根據(jù)RCC-M對(duì)板式支承件的要求，對(duì)此類板殼式支承件進(jìn)行彈性應(yīng)力分析。按照規(guī)范要求，采用最大主應(yīng)力理論，表4列出支架的評(píng)定準(zhǔn)則和相應(yīng)的應(yīng)力限值。

表4 支架的評(píng)定準(zhǔn)則和許用應(yīng)力極限Table 4 The evaluation criteria and allowable stress limit.

3 計(jì)算方法和計(jì)算模型

3.1計(jì)算方法

本文采用有限元方法計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種載荷下的應(yīng)力，所用程序?yàn)锳NSYS10.0[5]，其在我國(guó)核電設(shè)備設(shè)計(jì)分析中應(yīng)用的有效性已經(jīng)得到國(guó)家核安全局的認(rèn)可。

地震作用的計(jì)算采用BLOCK LANCZOS法提取結(jié)構(gòu)模態(tài)，用響應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，用SRSS法對(duì)各階模態(tài)進(jìn)行組合，用SRSS法組合三向地震作用[6]。在譜分析之后進(jìn)行靜力修正，靜力修正的加速度取各方向的截?cái)囝l率加速度。

3.2計(jì)算模型

用板殼元(SHELL63)對(duì)框架和支撐建立有限元模型，模型中包含了抽屜的重量，以平均密度的形式均布在抽屜隔間的框架上。50型(水平錨接支撐)非能動(dòng)氫復(fù)合器的有限元模型見圖2。

計(jì)算模型的坐標(biāo)均以復(fù)合器寬度方向?yàn)閄軸，復(fù)合器的長(zhǎng)度方向?yàn)閅軸，以重力方向?yàn)閆軸。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1框架的應(yīng)力及評(píng)定

將各載荷工況的分析結(jié)果按表5的組合方式進(jìn)行組合，得到框架在載荷工況組合條件下的應(yīng)力，應(yīng)力結(jié)果列于表5，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下應(yīng)力分布見圖3(a)和3(b)。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model.

表5 各工況下框架的最大應(yīng)力響應(yīng)Table 5 Maximum stresses of frame under all conditions.

圖3 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下框架的薄膜應(yīng)力分布(a), 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下框架的薄膜加彎曲應(yīng)力分布(b)Fig.3 σmof frame under design basis accident condition (a), σm+σbof frame under design basis accident condition(b).

4.2支撐的應(yīng)力及評(píng)定

將各載荷工況的分析結(jié)果按表6的組合方式進(jìn)行組合，得到支撐在載荷工況組合條件下的應(yīng)力，應(yīng)力結(jié)果列于表6，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下應(yīng)力分布見圖4(a)和4(b)。

表6 各工況下框架的最大應(yīng)力響應(yīng)Table 6 Maximum stresses of support under all conditions.

圖4 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下支撐的薄膜應(yīng)力分布(a), 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下支撐的薄膜加彎曲應(yīng)力分布(b)Fig.4 σmof support under design basis accident condition(a), σm+σbof support under design basis accident condition(b).

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元方法對(duì)非能動(dòng)氫復(fù)合器進(jìn)行了應(yīng)力分析。分析評(píng)定的結(jié)果表明50型(水平錨接支撐)非能動(dòng)氫復(fù)合器及其支撐在各級(jí)工況下滿足RCC-M有關(guān)規(guī)范的要求。

1 非能動(dòng)氫復(fù)合器技術(shù)規(guī)格書[R]. 中國(guó)核電工程有限公司, 2009 Technical specifications of passive hydrogen autocatalytic recombiner[R]. China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, 2009

2 壓水堆核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)范RCC-M, 2000版+2002年補(bǔ)遺[S]. 2002 Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands, RCC-M, 2000 edition+2002 Addendum[S]. 2002

3 FBR核電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)范 RCC-MR, 2002[S]. 2002 Design and construction rules for mechanical components of FBR nuclear islands, RCC-MR, 2002 edition[S]. 2002

4 建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S]. 中華人民共和國(guó)建設(shè)部, 2002 Load code for the design of building structures[S]. Ministry of Construction of the People's Republic of China, 2002

5 ANSYS10.0使用手冊(cè)[CP]. 2007 ANSYS10.0 User's Manual[CP]. 2007

6 APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M]. 中國(guó)水利水電出版社, 2004 APDL Parameterized finite element analysis techniques and applications[M]. China Water Power Press, 2004

Stress analysis of passive hydrogen autocatalytic recombiner

TANG Yujian NING Qingkun GONG Zhenbang LIU Shubin
(China Nuclear Power Engineering Co. Ltd., Beijing 100840, China)

Background: Passive hydrogen autocatalytic recombiner is a device for eliminating hydrogen in the containment of the nuclear power plant when severe accident occurs, avoiding hydrogen explosion. After the Fukushima nuclear accident, the nuclear power plants pay more attention to the role of Passive hydrogen autocatalytic recombiner. Purpose: This paper studies the stresses of passive hydrogen autocatalytic recombiner under the seismic and LOCA conditions. Methods: Modeling by using the finite element software ANSYS, the impacts of airflow load under the LOCA conditions are considered reasonably and the strength of passive hydrogen autocatalytic recombiner is also evaluated according RCC-M. Results: The results show that the model can meet the requirement of the standard document. Conclusions: This paper will provide technical support for stress analysis and evaluation of passive hydrogen autocatalytic recombiner.

Passive hydrogen autocatalytic recombiner, ANSYS, Stress analysis, RCC-M

TL353+.9

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040647

唐雨建，男，1982年出生，2007年于哈爾濱工程大學(xué)獲碩士學(xué)位，工程師，從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)

2012-10-05，

2012-12-17

CLC TL353+.9