北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 劉兆峰,姜智銳
CPR1000主控室大屏裝置結(jié)構(gòu)抗震分析
北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司劉兆峰,姜智銳
核電廠主控室大屏顯示主要設(shè)備、主要工藝系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù),能較直觀的顯示整個(gè)核電廠的基本運(yùn)行狀況,是主控室儀控設(shè)備的重要組成部分。紅沿河3、4號(hào)機(jī)組CPR1000對(duì)原大屏裝置并沒(méi)有提出抗震方面的要求,出于對(duì)地震情況下人身安全考慮,追加要求在SSE地震工況下的結(jié)構(gòu)完整性要求。針對(duì)在役設(shè)備的驗(yàn)證從時(shí)間上要求較緊迫。核電廠儀控設(shè)備抗震性能驗(yàn)證方法有抗震試驗(yàn)或抗震分析。抗震試驗(yàn)的方法,要求搭建一個(gè)相同的系統(tǒng)進(jìn)行抗震試驗(yàn),周期長(zhǎng)、造價(jià)高??拐鸱治龅姆椒ǎ芸焖俣ㄎ粏?wèn)題點(diǎn),有效地縮短驗(yàn)證周期,節(jié)省費(fèi)用,并且方便后續(xù)工作的開(kāi)展。綜合考慮,采用抗震分析的方法開(kāi)展驗(yàn)證工作。
本文針對(duì)大屏裝置結(jié)構(gòu)件的有限元驗(yàn)證進(jìn)行研討,制定抗震性能驗(yàn)證方案;通過(guò)對(duì)地震載荷進(jìn)行預(yù)評(píng)估,為結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)指標(biāo);通過(guò)模態(tài)分析評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可行性;通過(guò)反應(yīng)譜法對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行抗震分析。
2.1大屏裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
POP大屏裝置整體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,采用箱式設(shè)計(jì),前后箱與底座剛性螺栓連接面錯(cuò)落布置,可提供較強(qiáng)的扭矩作用,減小屏部分的變形。大屏裝置底座與地面采用螺栓方式連接,底座上安裝箱體,箱體上固定大屏。初步評(píng)估有一定的耗能能力和明確的傳力路徑。
圖1 大屏裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2驗(yàn)證流程
根據(jù)需要確定如圖2所示的驗(yàn)證流程,考慮先對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)載荷進(jìn)行評(píng)估,設(shè)定框架評(píng)價(jià)剛度指標(biāo),判定框架結(jié)構(gòu)是否滿足剛度需求,足夠的剛度是滿足抗震應(yīng)力、變形、加速度能力的先決條件。如果不合格進(jìn)行框架方案設(shè)計(jì)修改。判定剛度滿足要求后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)建模,采用反應(yīng)譜分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力判定。如果不合格進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)修改。如果都合格,流程結(jié)束。常用的抗震分析方法有等效靜力分析法、地震反應(yīng)譜法和地震時(shí)程分析法。等效靜力分析法忽略了地震作用與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相關(guān)及結(jié)構(gòu)非剛性等關(guān)鍵特性;反應(yīng)譜法引入了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性振型、頻率、阻尼,實(shí)用性較好,且有較高的計(jì)算精度;時(shí)程分析法以動(dòng)載荷作為輸入,反應(yīng)時(shí)程變化,通常作為反應(yīng)譜法的補(bǔ)充,準(zhǔn)確計(jì)算應(yīng)力和變形與時(shí)間的關(guān)系。本流程采用地震反應(yīng)譜法。
圖2 大屏裝置抗震性能驗(yàn)證流程圖
3.1地震載荷評(píng)估
大屏安裝樓層地震反應(yīng)譜如圖3所示。由圖可見(jiàn)水平方向最大響應(yīng)加速度可達(dá)到45m/s2,垂直方向最大響應(yīng)加速度為11m/s2。水平方向上的載荷遠(yuǎn)大于垂直方向上的載荷,所以評(píng)估框架抗震性能過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先考慮水平加速度的影響。針對(duì)地震水平載荷在6Hz至9Hz頻率區(qū)間位于高加速度響應(yīng)平臺(tái)區(qū),大屏箱體及底座頻率應(yīng)該避開(kāi)該頻率區(qū)間。綜合考慮,大屏箱體及底座整體的頻率應(yīng)大于10Hz,提高結(jié)構(gòu)的抗震能力以及保證大屏設(shè)備的較小加速度和變形。
圖3 地震反應(yīng)譜
3.2框架剛度評(píng)估
振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的整體特性,通過(guò)模態(tài)分析可以搞清楚結(jié)構(gòu)在某頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)特征,可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)自我激勵(lì)或外部激勵(lì)產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。模態(tài)分析是研究振動(dòng)特性的有效途徑。采用ANSYS軟件對(duì)框架結(jié)構(gòu)建立梁?jiǎn)卧?jiǎn)易模型,對(duì)主框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)評(píng)估。頻率越大,剛度越大,即框架的抗變形能力越強(qiáng)。計(jì)算框架結(jié)構(gòu)頻率見(jiàn)表1??蚣芄逃蓄l率是12.6Hz,滿足結(jié)構(gòu)預(yù)期剛度指標(biāo)。
表1 框架模態(tài)分析結(jié)果
4.1模型準(zhǔn)備
采用ANSYS軟件,根據(jù)詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模。其中底座的立柱和橫梁,以及大屏安裝箱體框架簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧#鬃母鞣N底板、側(cè)板或封板、箱體的蒙皮及大屏結(jié)構(gòu)本身等采用板殼單元建模,大屏裝置的內(nèi)部設(shè)備及各種門板或輔助設(shè)備采用質(zhì)量單元簡(jiǎn)化建模。簡(jiǎn)化的質(zhì)量模型采用剛性單元與其安裝部位連接,結(jié)構(gòu)焊接或鉚接部分使用節(jié)點(diǎn)耦合的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化。按上述方法建立有限元模型如圖4所示。
圖4 大屏裝置有限元模型
4.2應(yīng)力分析結(jié)果
結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析主要考慮主框架梁結(jié)構(gòu)和連接螺栓的應(yīng)力評(píng)定,對(duì)于表面蒙皮結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度影響不大,對(duì)蒙皮部分不做判定。計(jì)算自重與SSE地震載荷組合工況下梁結(jié)構(gòu)和螺栓應(yīng)力結(jié)果及依據(jù)RCC-M進(jìn)行判定如表2、3所示。通過(guò)計(jì)算滿足結(jié)構(gòu)抗震要求,能保證SSE地震情況下的結(jié)構(gòu)完整性。
表2 梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果
表3 螺栓結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果
4.3加速度及變形分析結(jié)果
通過(guò)抗震分析,可以得到加速度的分布情況,計(jì)算SSE工況加速度分布如圖5所示。大屏的加速度由下向上逐步增大,最大的加速度位于屏幕的左上角和右上角,最大加速度為33m/s2。地震工況載荷通過(guò)底座結(jié)構(gòu)及箱體結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)大屏產(chǎn)生位移放大作用。由此大屏幕會(huì)帶來(lái)一定程度的變形量。大屏位移分布如圖6所示,在屏幕的左上角和右上角會(huì)形成最大位移,位移由下往上遞增,呈帶狀分布,主要為結(jié)構(gòu)向前傾時(shí)變形所致,結(jié)構(gòu)最大變形為2.7mm。同一水平位置上的位移量除頂部外表現(xiàn)為中部大于兩側(cè),屏幕最大水平自變形約0.6mm。以上數(shù)據(jù)可以為大屏的相關(guān)鑒定試驗(yàn)提供依據(jù)。
圖5 大屏加速度云圖(mm/s2)
圖6 大屏位移云圖(mm)
通過(guò)有限元技術(shù)在紅沿河3、4號(hào)機(jī)組CPR1000主控室大屏裝置抗震性能驗(yàn)證中的應(yīng)用,通過(guò)地震譜分析在役的大屏裝置滿足SSE地震下結(jié)構(gòu)完整性要求,不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更;通過(guò)對(duì)地震載荷進(jìn)行評(píng)估,設(shè)定剛度目標(biāo),再通過(guò)有限元的方法對(duì)主框架的剛度進(jìn)行評(píng)估,能有效的縮短驗(yàn)證周期,減小風(fēng)險(xiǎn);通過(guò)抗震分析,掌握了大屏在地震工況下加速度、變形的分布規(guī)律,為大屏的鑒定試驗(yàn)提供依據(jù)。
[1] 姜智銳, 田虎, 陳衛(wèi). 紅沿河核電站3/4號(hào)機(jī)組儀控系統(tǒng)安全級(jí)BUP盤臺(tái)抗震分析[J]. 自動(dòng)化博覽, 2012 (10) : 24 - 26.
[2] 周寧. ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2006.
[3] 張波, 盛和太. ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.
[4] 祝效華, 余志祥, 等. ANSYS高級(jí)工程有限元分析范例精選[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.
Anti-seismic Analysis of Plant Overview Panel Pedestal in Master-control Room
自從福島核事故以后,對(duì)非安全級(jí)系統(tǒng)的抗震性能要求有所提高,對(duì)在役非安全級(jí)現(xiàn)有設(shè)備的驗(yàn)證從時(shí)間上要求較緊迫。本文針對(duì)紅沿河3、4號(hào)機(jī)組CPR1000對(duì)主控室大屏結(jié)構(gòu)及底座抗震要求提升,驗(yàn)證是否滿足SSE地震工況下的結(jié)構(gòu)完整性要求,為后續(xù)工作的開(kāi)展提供依據(jù)。針對(duì)時(shí)間要求,采用有限元抗震分析的方法,提出了快速驗(yàn)證流程,通過(guò)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能滿足抗震要求。通過(guò)分析掌握了大屏在地震工況下加速度、變形的分布規(guī)律,為大屏設(shè)備的鑒定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
大屏裝置;抗震分析;方案評(píng)估;反應(yīng)譜分析
Since the Fukushima nuclear accident, the requirement for anti-seismic level of the non-security system has been improved. The verification of the existing equipment in service has also become more urgent. In this paper, we mainly focus on the improved anti-seismic requirement of the plant overview panel (POP) pedestal in master-control room in Hongyanhe No.3 and No.4 (CPR1000) and verify whether the POP pedestal meets the requirement of structural integrity in SSE seismic conditions. In this way, we can provide basis for the follow-up work. For the time requirement, we adopt the finite element based anti-seismic analysis, and propose a rapid verification flow to verify that the structures can meet the requirements of earthquake resistance. Based on the analysis, we obtain the distribution of acceleration and deformation of large screen under the earthquake, thus we can provide data basis for the identification of large screen equipment.
POP pedestal; Anti-seismic analysis; Scheme evaluation; Response spectrum analysis
劉兆峰(1980-),男,滿族,河北青縣人,工程師,碩士,現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司,主要從事核電儀控系統(tǒng)機(jī)柜抗震分析工作。