李鵬濤，王戈戰(zhàn)（. 陜柴重工西安電站工程分公司，陜西西安，70077；. 中船重工天津修船技術研究所，天津，300456）

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地震工況下核電應急發(fā)電機組排煙裝置的設計及仿真

李鵬濤1，王戈戰(zhàn)2
（1. 陜柴重工西安電站工程分公司，陜西西安，710077；
2. 中船重工天津修船技術研究所，天津，300456）

本文以福建福清核電站5&6項目為依托，根據(jù)實際的現(xiàn)場環(huán)境設計了應急發(fā)電機組的排煙裝置，并在Hyper mesh環(huán)境下進行了排煙裝置的有限元建模和網(wǎng)格劃分；同時利用Hyper mesh和ANSYS的無縫接口，在ANSYS軟件中采用模態(tài)分析和反應譜分析相結合的方法計算了排煙裝置在高溫、設備負載、地震等不同工況下所受到的應力和位移，檢驗了排煙裝置設計的正確性與合理性。

排煙裝置；設計；模態(tài)分析；譜分析

引言

核電設備對于抗震性能的高要求不言而喻，伴隨著科技的不斷進步，核電技術已經(jīng)從第一代發(fā)展到今天的第三代，甚至是三代半。在這個過程中，安全始終是貫穿整個核電發(fā)展的主軸線。

在設計和建造核電站的過程中，每次都對核電設備的設計和建造提出了更加苛刻的抗震性能要求。由于核電站的建設和運行要考慮到地震、海嘯、颶風、爆炸等各種極端因素，所以在設計階段就要考慮到地震因素的影響，對于一些關鍵的核級設備必須進行抗震試驗來驗證其可靠性，對于一些非核級設備必須進行強度的計算和校核［1-3］。本文建立了排煙裝置的有限元模型，并利用模態(tài)分析和譜分析相結合的方法，仿真計算了各種工況下排煙裝置的應力、位移情況［4］。

1　排煙裝置的設計

根據(jù)應急發(fā)電機組廠房的實際結構和空間位置，考慮到金屬在高溫下的膨脹裕量和地震工況時的位移偏差，因此將排煙管分為前后兩段，并在其中間部位、排煙管的進出口處各加上一個膨脹節(jié)（如圖4），用于熱膨脹余量的補償和振動的緩沖。材料選擇如表1。其具體結構如圖1所示：整個排煙管直徑為1118mm，采用壁厚為8mm不銹鋼材質(zhì)（15CrMoR）焊接而成，兩個集氣支管直徑為710mm；整個排煙管采用固定支架和導向支架（12 Cr1MoV）相結合的方式安裝，這樣不僅能起到固定的作用，而且導向支架可以緩沖振動，起到保護作用；其中前半段排煙管由3個導向支架固定，后半段分別由1個固定支架和一個導向支架固定。

圖1　排煙裝置

表1　排煙裝置材質(zhì)

2　排煙裝置的有限元模型

有限元方法的基本思路是“先離散，后集成”，它是運用近似求解的數(shù)學方法對于工實際工程問題進行求解，大多數(shù)復雜的工程問題通過有效的簡化離散處理從而得到其足以滿足實際需要的近似解。在CAE領域，Hyper mesh軟件具有強大的前期處理和網(wǎng)格劃分功能，而且對于其它結構強度分析軟件有著很好的接口功能，基于這一點本文在Hyper mesh軟件中創(chuàng)建了排煙裝置的有限元模型并劃分了網(wǎng)格：其中利用Shell181單元來模擬不同厚度和材質(zhì)的排煙管結構和管支架結構，利用不同剛度和阻尼的Combine14單元來建立模擬管支架和排煙管彈性聯(lián)接的部分，用梁單元Beam 188模擬剛性支撐結構，建模后劃分得到的有限元模型如圖2所示。

圖2　排煙裝置有限元模型

3　負載的定義及強度校核標準

對于排煙裝置，它受到的載荷主要有自重（DW－Dead weight）、內(nèi)部壓力（IPInternal pressure）、熱膨脹（TH－Thermal expansion）、管端負載（NL－Nozzle loads），除了這些靜態(tài)載荷還要考慮地震發(fā)生時產(chǎn)生的動態(tài)載荷。地震載荷一般分為運行基準地震（OBE －Operation Basic Earthquake）和安全停堆地震（SSE，Safe Shutdown Earthquake）兩種；本文在計算中采用工況組合的方法分別計算了正常工況、異常工況、事故工況下排煙裝置所受到的應力和位移［5］，具體見表2。

表2　排煙裝置所受到的應力和位移

4　地震反應譜及譜分析法的介紹

圖3　應急發(fā)電機組樓層反應譜

圖4　膨脹節(jié)

如圖3所示，其為應急發(fā)電機組所在樓層的反應譜，由于地震的能量一般集中在低頻范圍內(nèi)，因此樓層反應譜的范圍選取在100Hz以內(nèi)。在抗震計算中經(jīng)常使用它對實際的設備進行抗震試驗或者仿真計算。反應譜分析法建立在振型分解反應譜理論的基礎之上，它是模態(tài)分析理論的延伸。通過求解系統(tǒng)的模態(tài)振型，同時將地震作用時系統(tǒng)的響應分解為各模態(tài)振型分量的疊加，然后通過相關的組合方法：CQC方法（全二次組合）、GRP方法（分組組合）、DSUM方法（雙求和方法）、SRSS方法（先求平方和、再求平方根的組合方法）疊加得到各振型結構的地震反應譜響應，從而最終得到總的地震響應值。

5　模態(tài)響應計算

為了得到地震工況下排煙管的應變和位移情況，首先對整個排煙管進行模態(tài)計算，得到其前6階的模態(tài)振型如圖5所示。

圖5　排煙裝置模態(tài)振型圖

6　不同工況下的應力位移計算

按照前面小節(jié)中給定的各種工況下的已知條件和機組的樓層反應譜計算不同載荷工況組合時排煙裝置的受力應變和位移改變，以檢驗排煙管在各種情況下能否正常工作；另外由于排煙管安裝在室內(nèi)，不受風載的作用，故不需要考慮風載對排煙管的影響。在進行譜分析計算時，對于OBE反應譜值在計算時阻尼比取2%，SSE反應譜值在計算時阻尼比取4%。

6.1 正常工況

正常工況下薄膜應力的最大許用應力為S=115Mpa，薄膜應力加彎曲應力的最大許用應力為172.5Mpa，因此這種工況下排煙裝置是安全的。如圖6所示。

圖6　正常工況下排煙裝置的位移、應力

6.2 異常工況

異常工況下薄膜應力的最大許用應力為126.5Mpa，薄膜應力加彎曲應力的最大許用應力為189.5Mpa，因此這種工況下排煙裝置是安全的。如圖7所示。

圖7　正常工況下排煙裝置的位移、應力

6.3 事故工況

事故工況下薄膜應力的最大許用應力為172.5Mpa，薄膜應力加彎曲應力的最大許用應力為207Mpa，因此這種工況下排煙裝置是安全的。具體如圖8所示。

圖8　正常工況下排煙裝置的位移、應力

7　結束語

綜上所述：以上三種工況下排煙裝置的應力滿足要求，最大位移35.5mm小于膨脹節(jié)的補償余量±45mm，因此排煙裝置的設計是合理的、安全的；運用力學簡化原則，利用Shell殼體單元、Combine彈性單元、Beam梁單元等在Hyper mesh環(huán)境下建立了排煙裝置的有限元模型；

在ANSYS環(huán)境下運用模態(tài)分析理論和譜分析相結合的方法計算出不同工況下排煙裝置的受力情況和位移情況，驗證設計的合理性和安全性。

［1］劉鴻文， 材料力學（I），北京:高等教育出版社，2004.

［2］趙枚，周海亭，陳光冶，朱蓓麗，機械振動與噪聲學，北京:科學出版社，2004，9.

［3］黃增宏，管道應力分析與管道設計手冊，長春:東北電力設計院出版發(fā)行，2004，5.

［4］王新敏，李義強，許宏偉，ANSYS結構分析單元與應用，北京:人民交通出版社，2011，9.

［5］呂玉恒，王庭佛，噪聲與振動控制設備及材料選用手冊，北京:機械工業(yè)出版社，1999，5.

王戈戰(zhàn)（1984-），研究生，工程師。研究方向：船舶與海洋工程管路系統(tǒng)設計。

E-mail: wanggezhan1984@163.com

Design and Simulation Calculation on Exhaust Device of Nuclear Power Emergency Generator under Earthquake Condition

Pengtao Li1， Gezhan Wang2
（1. ShanXi Diesel Heavy Industry Co，.Ltd.，Power Engineering Company， Xian， Shanxi， 710077， China；
2. Chinese Ship Heavy Industry Co，.Ltd.，Tianjin Repairing ship Research Institute， Tianjing， 300456， China）

In this paper， based on 5 & 6 fujian fuqing nuclear power station project， according to the actual site environment design of the emergency generator exhaust device， and in the Hyper mesh environment has carried on the finite element modeling and meshing of smoke exhaust device；Seamless interface at the same time use the Hyper mesh and ANSYS， the modal analysis in ANSYS software and the response spectrum analysis method to calculate the smoke exhaust device in high temperature and under different working conditions， equipment load， earthquake and so on by stress and displacement， test the correctness and rationality of the smoke exhaust device design.

Exhaust Device；Design；Seismic Calculation；Modal Analysis；Spectral Analysis

李鵬濤（1984-），研究生，工程師。研究方向：振動測試與計算。E-mail: hongluobo2006@163.com

TL353

A

2095-8412 （2016） 03-358-05