魯治誠，尚爾濤，伍時建，聶照宇，陳永超

控制棒驅(qū)動機構(gòu)與反應堆堆頂組合模型的抗震分析

魯治誠1,2，尚爾濤3，伍時建1,2，聶照宇1,2，陳永超1,2

（1. 核電安全監(jiān)控技術與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518124；2. 深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172；3. 深圳中廣核工程設計有限公司 上海分公司，上海 200241）

獲得控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）和反應堆堆頂組件（RHP）在地震作用下的動力學響應。建立控制棒驅(qū)動機構(gòu)與反應堆堆頂組件的有限元組合模型，采用ANSYS軟件對模型開展三維非線性抗震分析。分析模型中分別用梁單元、桿單元和彈簧單元等模擬堆頂?shù)母鱾€部件，考慮控制棒驅(qū)動機構(gòu)抗震支承板之間、抗震支承板與抗震支承環(huán)之間的相互碰撞作用。此外，將電纜托架和電纜橋組件的梁模型也加入到組合模型，而不是簡單地將其簡化為集中質(zhì)量，可減小該部分質(zhì)量分配不真實對抗震分析結(jié)果帶來的誤差。利用ANSYS軟件時程法中的直接積分法完成了組合模型的抗震分析，提取了控制棒驅(qū)動機構(gòu)和反應堆堆頂組件各部位應力評定所需的載荷。較為準確地模擬了抗震板之間的碰撞作用，得到了各截面的載荷，可為設備應力分析提供輸入。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)；反應堆堆頂；抗震分析

控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）和反應堆堆頂組件（RHP）是實現(xiàn)核反應堆功能的重要設備，屬于抗震I類設備。根據(jù)RCC-M規(guī)范[1]、ASME規(guī)范[2]等相關要求，需要對其開展抗震分析，以驗證其能夠在設計基準地震作用下不喪失其執(zhí)行的安全功能。

對結(jié)構(gòu)開展抗震分析時，可采用等效靜力法、響應譜法和時程分析法等?？紤]到在SSE地震過程中，CRDM與RHP各部件之間將發(fā)生碰撞和摩擦等非線性因素，文中采用時程分析法進行分析，能使計算結(jié)果更為精確。以CPR1000堆型的CRDM及RHP為例，采用時程分析法開展三維非線性抗震分析，采用ANSYS程序[3]中的梁單元、桿單元及彈簧單元等建立了CRDM和RHP的下部吊具組件、抗震支承組件、抗震板組件及電纜托架和電纜橋組件的等效模型，考慮CRDM頂部抗震支承板之間、抗震支承板與抗震支承環(huán)之間的碰撞作用，獲得CRDM和RHP各位置的截面載荷。

1 結(jié)構(gòu)簡介

CRDM和RHP安裝在反應堆壓力容器（RPV）頂蓋上方，是反應堆的重要組成部分。運行時，RPV頂蓋與容器法蘭通過主螺栓連接。停堆換料時，CRDM和RHP隨RPV頂蓋一并起吊和回放，放置在頂蓋存放架上。RHP主要由以下幾個部件組成。

1）反應堆堆頂?shù)蹙呓M件，分為下部吊具和上部吊具，下部吊具下端通過銷軸與頂蓋吊耳連接，上部穿過抗震支承環(huán)并通過螺栓與支承環(huán)固結(jié)，支承抗震支承環(huán)、電纜托架和電纜橋的質(zhì)量。上部吊具在反應堆開蓋時通過銷軸與下部吊具上端連接，是起吊頂蓋組件的重要工具。

2）反應堆堆頂抗震支承裝置，主要由抗震支承環(huán)和5組抗震拉桿組件組成，在地震和LOCA工況下，與CRDM抗震板組件配合限制CRDM頂部的側(cè)向位移，防止CRDM發(fā)生較大的彎曲變形?？拐鹄瓧U包括3個徑向拉桿和2個限制轉(zhuǎn)動的切向拉桿組成，這些拉桿可以假設只受拉不受壓，抗震環(huán)所受載荷通過拉桿傳遞到混凝土墻上。

3）CRDM抗震板組件，由61個抗震板、8個隔離板及固定在抗震支承環(huán)上的限位座組件等構(gòu)成。每個抗震板對應固定在一組CRDM上，相鄰抗震板之間存在間距，為CRDM抗震提供側(cè)向限位，將地震時CRDM之間的撞擊力傳遞至抗震支承環(huán)上。

4）反應堆堆頂電纜托架及電纜橋組件，通過5個支座固定在抗震支承環(huán)上。運行狀態(tài)下，電纜橋的另一端搭在反應堆水池池邊，作為堆頂電纜與外部端口連接的通道。在頂蓋存放狀態(tài)，電纜橋連同其上的電纜被收起并固定在堆頂上。

5）反應堆堆頂通風罩組件，坐落在頂蓋通風罩支承上，為CRDM磁軛提供冷卻風，是非抗震設備，在分析時將不考慮此組件的抗震。

CPR1000的堆頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPR1000的堆頂結(jié)構(gòu)

2 分析模型

2.1 模型建立

在正常運行工況下，CRDM和RHP的下部與堆內(nèi)構(gòu)件、反應堆壓力容器相連接，需要依據(jù)SRP3.7.2的解耦準則[4]進行解耦處理。采用多點激勵，分別在反應堆壓力容器上封頭中心位置和抗震拉桿位置施加位移時程輸入。

采用ANSYS程序的梁單元BEAM188建立下部吊具、抗震支承環(huán)和電纜托架及電纜橋的模型，根據(jù)截面形狀及尺寸設置相應的單元截面參數(shù)。CRDM為幾種空心的圓截面的組合，抗震支承環(huán)為空心的方形截面的梁結(jié)構(gòu)，下吊桿為實心圓截面的梁結(jié)構(gòu)，電纜托架及電纜橋則主要由L型鋼組成。根據(jù)BEAM188的截面分類選取各自的類型，并輸入截面尺寸數(shù)據(jù)?？拐鹄瓧U在承受拉力時發(fā)揮作用，而在承受壓力時失去作用，因此采用ANSYS程序的LINK10單元進行模擬。由于通風罩主要由RPV頂蓋承重，對CRDM和RHP地震響應的影響可以忽略，且該設備為非抗震設備，因此不在模型中建立，也不考慮其質(zhì)量。

CRDM分為耐壓殼、驅(qū)動桿、棒位指示器、引線管等部件組成，均為空心的圓截面。采用梁單元分別建立各部件模型，并根據(jù)位置關系建立綁定，組合形成完整的CRDM模型。鉤爪部件、線圈部件和內(nèi)部水的質(zhì)量作為等效質(zhì)量附加在耐壓殼單元上，通過修改單元密度的方法實現(xiàn)。CRDM的動力學分析模型如圖2所示，將各部件的位置進行了平移，以顯示各模型之間的連接關系。實際分析模型中，驅(qū)動桿、耐壓殼和棒位指示器梁單元的對稱軸是統(tǒng)一的。在CRDM上部的抗震板位置，建立帶間隙的彈簧單元COM-BIN40模擬抗震板之間的碰撞，間隙值設置為相鄰抗震板之間的實際間隙，彈簧剛度依據(jù)抗震板在碰撞方向的實際剛度進行設置。

圖2 CRDM動力學分析模型

抗震支承組件的支承環(huán)和下吊桿用BEAM188單元模擬，下吊桿為圓形截面，支承環(huán)為薄壁方形截面。支承環(huán)的梁單元作一定偏心設置，使梁單元節(jié)點和下吊桿的連接位置重合?？拐鹄瓧U用LINK10單元模擬，并設置成只受拉力作用。拉桿與支承環(huán)的連接位置離開支承環(huán)的梁單元節(jié)點有一定距離，用剛性梁連接。抗震支承組件和下吊桿的有限元模型如圖3所示。

電纜托架及電纜橋組件簡化為梁結(jié)構(gòu)模型，主要由下層電纜托架、上層電纜托架、下層電纜橋、上層電纜橋和用于支承的支座、連桿等組成，均采用BEAM188單元模型。電纜質(zhì)量及其他附屬部件質(zhì)量等效分配在相應位置的托架工字梁和橋架角鋼上。電纜托架及電纜橋組件在運行狀態(tài)下的有限元模型如圖4所示。

圖3 抗震支承組件動力學分析模型

圖4 電纜托架及電纜橋組件有限元模型

將61組CRDM及RHP各組件的模型依據(jù)位置關系和連接關系組合起來，得到用于分析的組合模型，如圖5所示。將模型進行3D可視化顯示，上部的局部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 CRDM和堆頂結(jié)構(gòu)的組合模型

2.2 邊界條件

模型的邊界條件為：1）拉桿的外端與土建結(jié)構(gòu)固定約束，電纜橋架的土建支承點（兩個支腿）約束豎直方向位移；2）下吊桿與壓力容器上封頭連接，約束三個方向的平動自由度（、、），可繞吊耳銷軸自由轉(zhuǎn)動，約束另外兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度；3）RPV上封頭簡化成為剛體，CRDM管座貫穿件均與RPV上封頭固定約束。上封頭的頂點作為控制點，分別與每個CRDM管座貫穿件下端建立剛性耦合單元。

圖6 CRDM和堆頂組合模型的局部3D顯示

2.3 阻尼

采用等效粘性阻尼來體現(xiàn)系統(tǒng)中的阻尼效應，在系統(tǒng)運動微分方程中，假設Rayleigh阻尼矩陣為：

[]=[]+[] (1)

式中：[]為質(zhì)量矩陣；[]為剛度矩陣；、為Rayleigh阻尼常數(shù)，可通過以下方程求解：

ξ=/(2ω)+βω/2 (2)

式中：ξ為結(jié)構(gòu)的阻尼比；ω為結(jié)構(gòu)頻率（圓頻率），一般可選取結(jié)構(gòu)的兩個最重要的頻率值來求解、。

由于CRDM的第一階頻率為1.6 Hz，且CRDM和RHP的重要頻率多在40 Hz以下，因此選擇1 Hz和40 Hz這兩個頻率來計算Rayleigh阻尼常數(shù)。對于SSE地震和LOCA動力響應分析，阻尼比取4%，計算得到=0.49、=0.000 31。阻尼比與頻率的關系曲線如圖7所示。

圖7 Rayleigh阻尼

3 結(jié)構(gòu)的抗震分析

3.1 地震輸入

堆頂在運行狀態(tài)時的地震輸入來源有兩個：一個是RPV上封頭的運動；一個是抗震拉桿處土建結(jié)構(gòu)的運動。采用時程分析法對CRDM和RHP組合模型開展抗震分析，RPV上封頭的位移施加在RPV上封頭的控制節(jié)點上，抗震拉桿處的位移施加在抗震拉桿外端與土建連接處。

取某SSE地震反應譜經(jīng)譜轉(zhuǎn)時程后并積分得到的位移時程作為地震輸入，考慮地震的隨機性，共轉(zhuǎn)換了3組時程，針對每組時程開展一次獨立運算。RPV頂蓋對應的3組位移時程如圖8所示，加載在RPV頂蓋上封頭中心位置。抗震拉桿位置的時程數(shù)據(jù)也通過其固定位置的土建結(jié)構(gòu)樓層反應譜轉(zhuǎn)換得到，加載在拉桿外端。

圖8 RPV上封頭位移時程輸入

3.2 分析結(jié)果

基于ANSYS程序開展了CRDM和堆頂組合模型的地震動力學分析，取自動時間步長，初始時間步長為0.001 s，最小時間步長為1×10-6s，最大時間步長為1×10-3s。計算得到了地震時程作用下CRDM和RHP的動力學響應，在結(jié)果中可提取CRDM和RHP各部件截面上的最大軸力、剪力和彎矩等載荷（部分結(jié)果見表1），這些載荷可作為設備應力分析的輸入。還可以提取結(jié)構(gòu)關鍵位置的響應時程和反應譜，作為部件抗震性能試驗的輸入。

表1 分析得到的部分截面地震載荷

3 結(jié)論

采用ANSYS建立CPR1000機組CRDM和RHP的組合模型，并運用時程分析法、多點激勵技術開展了模型在地震作用下的動力學響應分析，較為準確地模擬了抗震板之間的碰撞作用，得到了各截面的載荷，可為設備應力分析提供輸入。

[1] RCC-M—2012,Design and Construction Rules for Mechanical Components of Power Nuclear Islands[S].

[2] ASME—2013, ASME Boiler and Pressure Vessel Code[S].

[3] ANSYS Inc. ANSYS User′s Manual for Revision[K]. Pittsburgh: ANSYS Inc, 2009.

[4] NUREG-0800, Standard Review Plan for the Review of Safety Analysis Reports for Nuclear Power Plants: LWR Edition[S].

Seismic Analysis of Assembled Model of Control Rod Drive Mechanism and Reactor Head Package

LU Zhi-cheng1,2, SHANG Er-tao3, WU Shi-jian1,2, NIE Zhao-yu1,2, CHEN Yong-chao1,2

(1. State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment, Shenzhen 518124, China; 2. China Nuclear Power Design Co., Ltd, Shenzhen 518172, China; 3. Shanghai Branch, China Nuclear Power Design Co., Ltd, Shanghai 200241, China)

To obtain the dynamic response of control rod drive mechanism (CRDM) and reactor head package (RHP) under earthquake conditions.The assembled finite element model for CRDM and RHP was established. Three-dimensional nonlinear seismic analysis was performed with software ANSYS. Beam, link, and spring elements in software ANSYS were used for modeling components of CRDM and RHP, and the collision effects among seismic support plates and between seismic ring and seismic support plates were considered. Furthermore, the beam model of cable frame and cable-bridge was also assembled in the model instead of simplifying to quality point, which can reduce the error of seismic analysis caused by untruthful mass distribution.The seismic analysis and calculation of assembled model were conducted by the direct integral calculus method with software ANSYS, and the section loads of CRDM and RHP which was required in stress analysis were extracted.The seismic plate collision between the load of each section is simulated accurately and the load of each section is obtained. It can provide input for stress analysis of equipment.

control rod drive mechanism; reactor head package; seismic analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.013

TL351

A

1672-9242(2019)02-0065-05

2018-11-22；

2018-12-19

魯治誠（1985—），男，湖北人，碩士研究生，主要研究方向為反應堆結(jié)構(gòu)力學。