劉婭娟,王敬喜,潘 聰,池 豪,李佳琪

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

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核電站某型式濾網(wǎng)單元的抗震分析

劉婭娟,王敬喜,潘 聰,池 豪,李佳琪

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，建立了核電站某型式濾網(wǎng)單元的三維計(jì)算模型，對(duì)濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析計(jì)算。在濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用等效靜載的方法對(duì)濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)在自重、壓強(qiáng)和地震載荷下進(jìn)行了抗震分析。并依據(jù)ASME規(guī)范卷III的要求，對(duì)濾網(wǎng)單元在D級(jí)使用限制條件下的應(yīng)力進(jìn)行組合和評(píng)估。結(jié)果表明該濾網(wǎng)單元的設(shè)計(jì)滿足ASME規(guī)范卷III的要求。

核電站； 濾網(wǎng)單元； 抗震分析； 應(yīng)力評(píng)定

為了保證核電站的安全運(yùn)行與正常停堆，根據(jù)相關(guān)安全法規(guī)的要求，核安全相關(guān)設(shè)備在各類載荷，特別是地震載荷作用下應(yīng)保持結(jié)構(gòu)完整性[1]。該新型濾網(wǎng)單元結(jié)構(gòu)屬于抗震I類的核安全C級(jí)設(shè)備，要求在運(yùn)行和極限安全地震載荷下均能夠保持結(jié)構(gòu)完整性。AP1000核電廠的抗震分析中已取消運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)抗震分析，只用對(duì)安全停堆地震(SSE)引起的載荷進(jìn)行分析。

目前，結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的方法主要分為兩大類：靜力分析和動(dòng)力分析。其中靜力分析方法包括準(zhǔn)靜力法和等效靜力法，動(dòng)力分析方法包括反應(yīng)譜法和時(shí)間歷程方法。理論上講，時(shí)間歷程計(jì)算方法最為準(zhǔn)確，但是計(jì)算中需要地震時(shí)間歷程載荷；而反應(yīng)譜法計(jì)算原理簡(jiǎn)單，理論成熟，又能在一定程度上反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，因此得到廣泛應(yīng)用[2]。一般來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)模態(tài)分析后的結(jié)果來(lái)確定抗震分析方法。當(dāng)設(shè)備的固有頻率大于反應(yīng)譜截止頻率時(shí)，認(rèn)為設(shè)備是剛體，可以采用靜力分析法來(lái)進(jìn)行抗震分析，并用零周期加速度(ZPA)作為假設(shè)加速度；如果設(shè)備的固有頻率小于反應(yīng)譜截止頻率時(shí)，抗震分析則需要采用等效靜力法或者動(dòng)力分析法。

驗(yàn)證設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性需要考慮其所承受的正常設(shè)計(jì)載荷，地震載荷以及設(shè)備外部連接所傳遞的載荷。筆者采用有限元模擬軟件ANSYS建立濾網(wǎng)單元的力學(xué)模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在自重、壓強(qiáng)和地震載荷下的抗震分析，并按ASME規(guī)范卷III[3]的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)使用限制條件下的應(yīng)力進(jìn)行組合和評(píng)定，得出該濾網(wǎng)單元在反應(yīng)譜峰值加速度下的靜態(tài)響應(yīng)，為其抗震設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值，同時(shí)也為了驗(yàn)證該單元在SSE下的結(jié)構(gòu)完整性。

1 計(jì)算模型

1.1 有限元模型

該新型濾網(wǎng)單元主要由多孔板和支撐管組成，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立簡(jiǎn)化的三維有限元模型。模型由4節(jié)點(diǎn)殼單元(SHELL181)組成，總共包括330 707個(gè)節(jié)點(diǎn)，345 066個(gè)單元。主要分析自重(鋼板自重+碎片重量)、水動(dòng)力重量和安全停堆地震對(duì)濾芯單元的整體響應(yīng)。

圖1 濾網(wǎng)單元的幾何模型

1.2 材料

濾網(wǎng)單元的材料為板殼類材料SA-240 TP 304，屬于18Cr-8Ni奧氏體鋼(G材料組系)，依據(jù)ASME規(guī)范第II卷[4]D篇給出的數(shù)據(jù)，并通過(guò)線性插值得到相應(yīng)溫度下的材料性能參數(shù)和許用應(yīng)力值。

模型中采用其在148.9 ℃下的性能參數(shù)：E=186 138 MPa，υ=0.3?？紤]濾網(wǎng)單元的多孔板區(qū)域，不利于建模和網(wǎng)格劃分，且所受載荷為均布載荷，依據(jù)ASME規(guī)范卷III 第1冊(cè)附錄對(duì)多孔板區(qū)域做相應(yīng)簡(jiǎn)化[3]。

簡(jiǎn)化后的多孔板的等效彈性模量和泊松比的值為E*=61 426 MPa，υ*=0.343。模型中兩種材料參數(shù)見表1。

表1 濾網(wǎng)單元的材料模型

1.3 載荷

過(guò)濾器在進(jìn)行抗震分析時(shí)，要考慮自重、水動(dòng)力質(zhì)量、接管載荷、地震載荷以及溫度和壓差的影響。接管和濾網(wǎng)框架間通過(guò)柔性墊圈連接，接管載荷可以忽略。由于濾網(wǎng)單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)溫度效應(yīng)產(chǎn)生的熱膨脹進(jìn)行了補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力，分析中不用考慮溫度的影響。壓差作為一個(gè)局部受力，濾網(wǎng)單元整體分析時(shí)，壓差會(huì)作為內(nèi)部力抵消，不考慮壓差對(duì)單元整體結(jié)構(gòu)的局部影響。此分析模型主要考慮自重、水動(dòng)載荷以及地震載荷組合下產(chǎn)生的水平方向和豎直方向加速度的影響。

1.3.1 自重

主要考慮自身質(zhì)量和碎片質(zhì)量，其中濾芯的質(zhì)量為mcd=69 kg，碎片質(zhì)量為md=11.3 kg。

1.3.2 水動(dòng)力質(zhì)量

該濾網(wǎng)屬于水下工作部件，承受地震載荷時(shí)會(huì)在水下進(jìn)行變速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致周圍流體產(chǎn)生加速度，存在附加質(zhì)量的作用。當(dāng)不考慮流體的壓縮性及粘性時(shí)，可利用勢(shì)流理論來(lái)分析結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量，此時(shí)附加質(zhì)量?jī)H與結(jié)構(gòu)的形狀以及流體密度有關(guān)[5]。求解得到三個(gè)方向的水動(dòng)力質(zhì)量為：

mhX=204.98 kg
mhY=102.49 kg
mhZ=102.49 kg

其中，X為流道方向，Y為流道垂直方向，Z為濾芯高度方向。

1.3.3 地震載荷

地震載荷一般是采用該設(shè)備所在樓層的樓層響應(yīng)譜作為激勵(lì)輸入，對(duì)于濾網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)，所有底部支撐件都安裝在同一樓層，設(shè)備所在樓層SSE樓層響應(yīng)譜見圖2，其中Accel-X表示樓層響應(yīng)譜X方向加速度，Accel-Y表示樓層響應(yīng)譜Y方向加速度，Accel-Z表示樓層響應(yīng)譜Z方向加速度。

圖2 地震載荷譜

由樣機(jī)整體的強(qiáng)度分析報(bào)告可知，整體設(shè)備的X、Y、Z三個(gè)方向的固有頻率分別為39.9 Hz、46.7 Hz、30.4 Hz，其中有兩個(gè)方向的固有頻率小于截止頻率。在對(duì)濾網(wǎng)單元進(jìn)行分析時(shí)，取SSE加速度響應(yīng)譜的最大加速度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

依照設(shè)計(jì)規(guī)范書和ASME規(guī)范卷III[3]，該濾網(wǎng)在安全停堆地震下的阻尼百分比取4%。地震載荷一般要考慮地震激勵(lì)的三個(gè)方向，SSE加速度響應(yīng)譜X、Y、Z三個(gè)方向的峰值加速度分別為3.95 g、1.95 g、2.0 g。

2 載荷組合與使用限制

2.1 載荷組合

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范書，該設(shè)備有三種載荷類型。該新型濾網(wǎng)單元的設(shè)計(jì)載荷組合見表2。載荷組合3的工況組合較載荷組合1和2更為苛刻，且應(yīng)力限制系數(shù)也較為嚴(yán)格，對(duì)載荷組合3進(jìn)行分析更為保守。本報(bào)告只進(jìn)行第3種載荷組合下的濾網(wǎng)單元的抗震分析。

表2 設(shè)計(jì)載荷組合

2.2 使用限制

根據(jù)ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范，卷III-1-NF[3]，該濾網(wǎng)單元可以當(dāng)作板殼型支撐件，應(yīng)用第三強(qiáng)度理論(Tresca理論)來(lái)進(jìn)行評(píng)定。

結(jié)合濾網(wǎng)單元的設(shè)計(jì)載荷組合情況，表3給出D級(jí)使用限制下結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力限制。

表3 D級(jí)使用限制下的SA 240 TP 304的應(yīng)力限制[3]

3 計(jì)算和結(jié)果分析

3.1 分析方法

本文主要針對(duì)載荷組合3(W+ΔP+SSE)，對(duì)濾網(wǎng)單元進(jìn)行了模態(tài)分析，并在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上用等效靜力法來(lái)分析結(jié)構(gòu)在安全停堆地震(SSE)載荷下的響應(yīng)。鑒于目前濾網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)不確定，采用安全停堆地震(SSE)載荷的RRS中峰值加速度作為靜力分析時(shí)的等效加速度。計(jì)算濾網(wǎng)單元在載荷組合3下的應(yīng)力，按照表3進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析是為了得到濾網(wǎng)單元的主要模態(tài)，邊界條件不用施加加速度載荷。系統(tǒng)質(zhì)量為濾芯自重時(shí)，濾芯在三個(gè)方向的主振型的固有頻率為：

X方向：fX=227.32 Hz

Y方向：fY=31.177 Hz

Z方向：fZ=106.50 Hz

三個(gè)方向主振型的位移見圖3。

圖3 濾網(wǎng)單元的主振型位移分布

在濾網(wǎng)單元整體結(jié)構(gòu)的抗震分析中需要濾芯內(nèi)碎片以及水動(dòng)力質(zhì)量對(duì)固有頻率造成的影響。考慮了碎片質(zhì)量和水動(dòng)力質(zhì)量的總質(zhì)量為mtotX=285.28 kg，mtotY=182.79 kg，mtotZ=182.79 kg，濾網(wǎng)單元在三個(gè)方向的主要模態(tài)頻率為：

3.3 等效靜力分析結(jié)果

3.3.1 整體結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算，得出濾網(wǎng)單元在SSE地震載荷下的各個(gè)方向的位移圖和應(yīng)力圖。濾芯單元的位移見圖4，最大位移為1.74 mm，發(fā)生在濾網(wǎng)單元中間靠近入流口的位置。

圖4 濾芯單元位移分布

濾網(wǎng)單元的應(yīng)力分布見圖5、圖6。

圖5 濾芯的薄膜應(yīng)力分布

圖6 濾芯的薄膜加彎曲應(yīng)力分布

最大薄膜應(yīng)力是111.26 MPa，最大薄膜加彎曲應(yīng)力是179.45 MPa。由應(yīng)力云圖可得：濾網(wǎng)單元的最大薄膜應(yīng)力以及最大膜加彎應(yīng)力都分布在濾網(wǎng)側(cè)面板右上角的彎折處。

按照D級(jí)使用限制148.9 ℃下的應(yīng)力限制進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果見表4。

表4 濾網(wǎng)單元整體應(yīng)力評(píng)價(jià) MPa

3.3.2 多孔板

濾網(wǎng)單元板殼結(jié)構(gòu)的多孔板部分在建模時(shí)根據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其應(yīng)力分布見圖7和圖8。按照ASME規(guī)范，卷III[3]，第一冊(cè)附錄A-8140，計(jì)算的多孔板應(yīng)力要乘以系數(shù)P/h后再進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)，其中P=2.5，h=0.9，P/h=2.8。從多孔板的應(yīng)力云圖可以看出，多孔板側(cè)面彎折處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)取這一區(qū)域的整體薄膜/彎曲應(yīng)力。

圖7 多孔板的薄膜應(yīng)力分布

圖8 多孔板的薄膜加彎曲應(yīng)力分布

按照D級(jí)使用限制148.9 ℃溫度下的應(yīng)力限制對(duì)多孔板區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)：

最大薄膜應(yīng)力(整體)61.82×2.8=173.1 MPa ≤195.5 MPa；

最大薄膜加彎曲應(yīng)力(整體)

82.43×2.8=230.80 MPa ≤293.2 MPa。

多孔板部分的應(yīng)力值均小于D級(jí)使用限制下的應(yīng)力限制，滿足ASME規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立濾網(wǎng)單元的有限元模型，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并根據(jù)ASME規(guī)范，對(duì)濾網(wǎng)單元在最苛刻載荷組合工況下的應(yīng)力進(jìn)行了分析和評(píng)定。結(jié)果表明，此濾網(wǎng)單元設(shè)計(jì)能滿足核電廠對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的要求。

[1] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國(guó)建設(shè)部. GB 50267-1997 核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

[2] 李增光,王炯,吳天行. 核電站環(huán)形吊車抗震計(jì)算分析[J]. 核動(dòng)力工程,2008,29(1): 46-49.

[3] ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì)核動(dòng)力分委員會(huì). ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國(guó)際性規(guī)范III: 核設(shè)施部件建造規(guī)則[S]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2004.

[4] ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì)核動(dòng)力分委員會(huì). ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國(guó)際性規(guī)范II: 材料A篇: 鐵基材料[S]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2004.

[5] 王基盛,楊慶山. 流體環(huán)境中結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量的計(jì)算[J]. 北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,27(1): 40-43.

Seismic Analysis of a Cartridge for Nuclear Power Plants

Liu Yajuan,Wang Jingxi,Pan Cong,Chi Hao,Li Jiaqi

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

A three-dimensional calculation model was established for a cartridge of nuclear power plant by FEA software ANSYS,with which seismic analysis was conducted on the cartridge structure under the action of gravity,pressure and SSE loads using equivalent static loading method on the basis of model analysis. Meanwhile,stress combination and evaluation were carried out under D stress limits according to requirements of ASME section III. Results indicate that the design of related cartridge meets the requirements of ASME section III.

nuclear power plant; cartridge; seismic analysis; stress evaluation

2016-11-15;

2016-12-06

劉婭娟(1988—)，女，工程師，主要從事電站設(shè)備的結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)以及傳熱分析工作。

E-mail: liuyajuan89@163.com

TL362.1

A

1671-086X(2017)04-0259-04