陳 濤,張?jiān)撇?/p>

（1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，518124；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,100082）

穩(wěn)壓器抗震分析簡(jiǎn)化力學(xué)模型探究

陳 濤1,張?jiān)撇?

（1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，518124；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,100082）

本文研究核電站穩(wěn)壓器抗震分析模型的建立方法。針對(duì)某堆型的穩(wěn)壓器，分析內(nèi)部冷卻劑的液面晃動(dòng)效應(yīng)及處理方法；對(duì)比分析節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、筒體壁厚、集中質(zhì)量等因素對(duì)簡(jiǎn)化模型固有頻率的影響，確定了穩(wěn)壓器抗震分析模型的簡(jiǎn)化原則。針對(duì)最終模型進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

核電站；穩(wěn)壓器；抗震分析；RCC-M規(guī)范

0 引言

美國(guó)ASME規(guī)范和法國(guó)RCC-M規(guī)范對(duì)于核設(shè)備動(dòng)力學(xué)分析均有相關(guān)要求，而模型簡(jiǎn)化工作作為動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，是保證分析結(jié)果科學(xué)合理的重要前提。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員的工作重點(diǎn)主要集中在反應(yīng)堆堆本體的動(dòng)力學(xué)分析上，而對(duì)于穩(wěn)壓器的動(dòng)力學(xué)分析則關(guān)注較少。本文主要研究穩(wěn)壓器抗震分析模型的簡(jiǎn)化方法，確立了模型簡(jiǎn)化原則并對(duì)簡(jiǎn)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

穩(wěn)壓器是壓水堆核電站冷卻劑系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用于對(duì)一回路進(jìn)行壓力控制和超壓保護(hù)，是一級(jí)核承壓設(shè)備。穩(wěn)壓器為立式圓筒結(jié)構(gòu)，上、下部為球缺形封頭。下部連接波動(dòng)管管嘴、電加熱器、核取樣口和儀表管嘴；上部連接噴淋管嘴和噴頭、安全閥組、儀表管嘴、脈沖管嘴和人孔。下封頭安置在圓柱形裙座上?？拷喜吭O(shè)有水平支撐結(jié)構(gòu)和閥支架。其結(jié)構(gòu)見圖1。

2 抗震分析模型簡(jiǎn)化

2.1 水的晃動(dòng)效應(yīng)

對(duì)于容器內(nèi)水的晃動(dòng)效應(yīng)，通常的處理方法包括國(guó)內(nèi)《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50761等均參照GEORGE W.

HOUSNE的文章將水等效為圖2所示的相當(dāng)系統(tǒng)，質(zhì)量為M的水分成靜水和動(dòng)水兩部分。靜水相對(duì)水箱靜止（脈動(dòng)效應(yīng)），

圖1 穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 General structure of pressurizer

質(zhì)量為M0高度為h0；動(dòng)水在水箱內(nèi)晃動(dòng)（振蕩效用），質(zhì)量為M1，質(zhì)心高度為h1。將穩(wěn)壓器等效為一個(gè)內(nèi)半徑r=1.062m的圓柱形水箱，那么穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下（60%充水）水面高度h=6.946m?？梢缘玫剑?/p>

圖2 穩(wěn)壓器內(nèi)部水晃動(dòng)效應(yīng)示意圖Fig. 2 Impact of water contained in the pressurizer

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)壓器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的固有頻率一般為10HZ左右，因此內(nèi)部水的頻率比穩(wěn)壓器的固有頻率低得多，不會(huì)與穩(wěn)壓器發(fā)生耦合共振。簡(jiǎn)化力學(xué)模型中可以忽略水的自由表面的晃動(dòng)效應(yīng)，即假定水相對(duì)于穩(wěn)壓器靜止。

2.2 容器壁的簡(jiǎn)化

穩(wěn)壓器容器壁用一系列的梁?jiǎn)卧M，包括封頭、筒體、裙座等主體材料和內(nèi)部堆焊層。根據(jù)體積不變、中徑不變?cè)瓌t將上、下封頭等效成圓形截面梁?jiǎn)卧?；筒體外徑尺寸不變，厚度包含保溫層；裙座的外徑和壁厚不變。

分別取穩(wěn)壓器各壁厚的名義值和最小值建立模型并進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果顯示，采用名義壁厚時(shí)，前幾階輸出頻率更接近穩(wěn)壓器相應(yīng)標(biāo)高地震激勵(lì)的峰值頻率，因此取名義壁厚更保守。

2.3 水和保溫層的簡(jiǎn)化

穩(wěn)壓器內(nèi)的水假定相對(duì)靜止附加在容器壁上。外部保溫層包括保溫材料及支架結(jié)構(gòu)。采用3.2節(jié)的等效方法確定梁?jiǎn)卧孛娉叽纾捅貙油ㄟ^(guò)修改相應(yīng)位置梁?jiǎn)卧拿芏雀郊釉谕脖诮孛嫔?。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下只有穩(wěn)壓器容積的60%充水，附加水質(zhì)量時(shí)需計(jì)算出相應(yīng)液面高度。

2.4 集中質(zhì)量的簡(jiǎn)化

各接管嘴、電加熱器、人孔、閥支架等簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量單元，排放管和環(huán)管固定在閥支架上并與閥門接管連接，因此也應(yīng)一并考慮。

電加熱元件質(zhì)量沿長(zhǎng)度方向按比例分布在三個(gè)不同的點(diǎn)上，即電加熱器與下封頭焊接處、上下支撐板位置。

分別將排放管、環(huán)管和安全閥置于閥門支架和閥門接管位置，對(duì)比分析結(jié)果顯示，置于閥門接管時(shí)結(jié)果更保守，但兩者差別很小?？紤]穩(wěn)壓器實(shí)際結(jié)構(gòu)，將其置于閥門支架上。

采用圓環(huán)、圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式并結(jié)合移軸定理計(jì)算各集中質(zhì)量點(diǎn)相對(duì)X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)比計(jì)算考慮和未考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情形。結(jié)果顯示，兩者差別很小，可以忽略轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。

2.5 建立簡(jiǎn)化模型

采用3.4節(jié)的方法確定集中質(zhì)量節(jié)點(diǎn)位置。修改梁?jiǎn)卧渌课还?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，分別采用23段和53段梁對(duì)比計(jì)算。結(jié)果顯示，兩者輸出頻率和振型基本一致。因此，23段梁足以模擬穩(wěn)壓器的力學(xué)性能。最終確立的主要節(jié)點(diǎn)位置見表1。

表1 穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化模型節(jié)點(diǎn)位置Tab. 1 Node location of pressurizer simplified model

3 模型檢驗(yàn)

3.1 材料屬性

采用穩(wěn)壓器主體材料16MND5的材料屬性，其材料力學(xué)性能見表2。

表2 穩(wěn)壓器主體材料屬性Tab. 2 Material properties of pressurizer

3.2 邊界條件

穩(wěn)壓器通過(guò)裙座固定在反應(yīng)堆廠房樓板上，裙座以一定的剛度（包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)）與土建結(jié)構(gòu)相連，計(jì)算穩(wěn)壓器固有模態(tài)時(shí)考慮支撐裙座和反應(yīng)堆廠房樓板剛度。

3.3 計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算穩(wěn)壓器固有振動(dòng)特性，輸出穩(wěn)壓器的固有頻率和振型。由于不同工況下穩(wěn)壓器內(nèi)部水體積不同，且溫度不同導(dǎo)致材料屬性不同，取正常運(yùn)行和初始啟動(dòng)兩種工況。模態(tài)分析結(jié)果見表3，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況第1、2階振型見圖3。

經(jīng)驗(yàn)算法容器壁采用最小壁厚且未考慮環(huán)管、排放管和安全閥的質(zhì)量，結(jié)果正常運(yùn)行工況下固有頻率為9.8HZ，初始啟動(dòng)工況下固有頻率為8.6HZ。參考其數(shù)值，認(rèn)為本文計(jì)算結(jié)果在合理范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證可知，采用前述方法建立的穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化力學(xué)模型合理可靠，可用于穩(wěn)壓器的抗震分析。

表3 本文模型的模態(tài)分析結(jié)果Tab. 3 Results of modal analysis for pressurizer

4 展望

目前，穩(wěn)壓器抗震分析僅限于線性分析。在SSE地震載荷激勵(lì)下，支承部件間會(huì)產(chǎn)生碰撞、脫離等相對(duì)運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)化模型中是否有必要考慮橫向支承的間隙、摩擦、阻尼等因素，未來(lái)可兼顧精確性和經(jīng)濟(jì)性，開展穩(wěn)壓器的非線性抗震分析研究，并與目前的線性分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

[1] RCC-M Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].Edition June 2000, 1st modification＋addendum 2002.

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code[M].American Society of Mechanical Engineers,2004.

[3] THE DYNAMIC BEHAVIOR OF WATER TANKS,VOL.53,NO.2, PP. 381-387,GEORGE W. HOUSNER[M],1963.02

[4] DYNAMIC PRESSURES ON ACCELERATED FLUID CONTAINERS, GEORGE W.HOUSNER[M],1957

張?jiān)撇?，工程師?008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事核電廠安全評(píng)審工作

Finite Element Model for Pressurizer Seismic Analysis

Chen Tao1,Zhang Yunbo2
(1.China Nuclear Power Design Company,Ltd (Shenzhen),518124 2.Nuclear and radiation safety center,100082)

In this paper,finite element model of beam element for pressurizer seismic analysis was built. Impact of the relative movement of the water contained in the pressurizer was considered.Comparisons were made with different number of nodes,different thickness of PZR shell,and different value of concentrated masses.At last,modal analysis was carried out,natural frequencies and vibration shapes were got and the results were estimated.

Nuclear Power Station;Pressurizer;Seismic analysis;RCC-M Code

圖3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況第1、2階模態(tài)Fig. 3 First and second modal of pressurizer under nomal condition

陳濤（1981—），女，工程師。2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（機(jī)械電子工程專業(yè)），獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)分析工作。