朱幼君

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

核電廠安全殼電氣貫穿件是安裝于安全殼結(jié)構(gòu)上，專門供各類電纜貫穿安全殼的電氣設(shè)備。作為安全殼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，電氣貫穿件在核電站運(yùn)行期間和發(fā)生事故時(shí)應(yīng)保證安全殼的結(jié)構(gòu)完整性和密封性不被破壞，因此貫穿件必須在正常工況、異常工況和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下均能滿足力學(xué)性能的要求。對(duì)電氣貫穿件進(jìn)行全面的應(yīng)力分析和評(píng)定，對(duì)核電廠長(zhǎng)期、安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

電氣貫穿件受力狀態(tài)復(fù)雜，不僅承受自重、設(shè)計(jì)壓力、安全殼內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下還承受環(huán)境壓力和地震載荷的作用，在各種工況下的力學(xué)行為均要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。對(duì)該類設(shè)備直接進(jìn)行力學(xué)分析，存在建模困難和結(jié)果驗(yàn)證的問(wèn)題。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解析法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用有限元分析方法又存在設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、組合多種材料的困難，存在幾何結(jié)構(gòu)如何簡(jiǎn)化、連接方式如何等效、材料組合如何確定參數(shù)等諸多問(wèn)題。如果對(duì)各個(gè)因素的結(jié)果相關(guān)性進(jìn)行研究，則對(duì)分析工作帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)，也給模型分析結(jié)果帶來(lái)不確定性。分析試驗(yàn)法是將失效分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,既對(duì)設(shè)備的完整性進(jìn)行分析，也對(duì)分析模型進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)建模、驗(yàn)證等工作形成一類典型設(shè)備的力學(xué)評(píng)定。在此基礎(chǔ)上可將驗(yàn)證后的分析模型推廣應(yīng)用于同類型其他設(shè)備的評(píng)定，可以達(dá)到提高力學(xué)性能分析效率的目的。

筆者采用通用ANSYS有限元軟件建立電氣貫穿件結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，通過(guò)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)對(duì)有限元分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，并按RCC-M規(guī)范對(duì)設(shè)備在各種工況下的受力情況進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定，為安全殼電氣貫穿件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 電氣貫穿件的構(gòu)成與主要參數(shù)

電氣貫穿件主要由筒體、安全殼內(nèi)外側(cè)的端子箱、導(dǎo)體組件、密封材料等構(gòu)成，一般采用雙密封設(shè)計(jì)。導(dǎo)體組件穿過(guò)一個(gè)充有一定壓力氮?dú)獾匿撝仆搀w，這一結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在殼外連續(xù)監(jiān)測(cè)泄漏。電氣貫穿件與安全殼預(yù)埋筒焊接，并穿過(guò)安全殼至核島輔助廠房。導(dǎo)體組件兩端與電纜連接，并通過(guò)在貫穿件兩頭安裝的端子箱來(lái)保護(hù)導(dǎo)體連接端子。電氣貫穿件的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 典型電氣貫穿件結(jié)構(gòu)

電氣貫穿件屬于1E級(jí)電氣設(shè)備，同時(shí)作為核電站安全殼的壓力邊界屬于核安全2級(jí)設(shè)備，抗震要求為抗震1級(jí)[1]。

2 模態(tài)分析

核電站設(shè)計(jì)中，要求電氣貫穿件在電站地震期間和地震后，貫穿件能保持壓力邊界完整和不喪失功能，因此貫穿件的自振頻率應(yīng)大于33 Hz，以避免地震時(shí)結(jié)構(gòu)由于共振而引起失效。

利用ANSYS有限元軟件建立電氣貫穿件及其連接構(gòu)件(安全殼預(yù)埋筒、安全殼鋼套和安全殼法蘭)的三維有限元模型。端子箱為薄壁空心結(jié)構(gòu)，貫穿件筒體內(nèi)部裝有純銅導(dǎo)體，導(dǎo)體組件固定在兩端法蘭上，中間設(shè)有中隔板。模型忽略導(dǎo)體和中隔板的剛度，僅考慮其質(zhì)量，將質(zhì)量附加在貫穿件筒體壁上。安全殼預(yù)埋筒與鋼套固定在安全殼混凝土墻體上，為了與實(shí)際情況保持一致，對(duì)預(yù)埋鋼套與安全殼鋼襯施加固定約束。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用殼單元和六面體八節(jié)點(diǎn)體單元對(duì)模型進(jìn)行離散，貫穿件筒體、預(yù)埋鋼套用殼單元模擬，貫穿件端法蘭和端子箱用體單元模擬。整體有限元模型包括6 907個(gè)殼單元、1 563個(gè)體單元，共8 470個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 電氣貫穿件計(jì)算模型

圖3 筒體和預(yù)埋鋼套的網(wǎng)格

電氣貫穿件饋通線通常按照額定溫度250 ℃設(shè)計(jì)，可將此溫度保守地視為貫穿件的服役溫度。模態(tài)分析中分別計(jì)算常溫和高溫(250 ℃)兩種溫度下的模態(tài)。貫穿件筒體和端法蘭分別選用20號(hào)鋼管和304L鋼板?？紤]到材料隨溫度的變化，常溫下的彈性模量取203 GPa，250 ℃高溫下材料的彈性模量取188 GPa。提取前四階模態(tài)見(jiàn)表1。

表1 電氣貫穿件固有頻率 Hz

由表1可知：雖然隨著溫度的上升，設(shè)備的一階自振頻率下降，但是一階自振頻率滿足大于33 Hz的設(shè)計(jì)要求。從設(shè)備在常溫下的模態(tài)振型(見(jiàn)圖4)可見(jiàn)：設(shè)備一階振型為一端上下振動(dòng)，二階振型為左右振動(dòng)，三、四階振型分別為另一端上下和左右振動(dòng)。

圖4 貫穿件前四階模態(tài)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證自振頻率計(jì)算與實(shí)測(cè)的差別，對(duì)電氣貫穿件樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4 m4 m地震臺(tái)上進(jìn)行。

模擬現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)工裝與振動(dòng)臺(tái)面剛性連接。試驗(yàn)方向的定義與模態(tài)分析中的方向定義相同。將與貫穿件軸線垂直的方向定義為X方向，將與之垂直的方向定義為Y方向，將軸線方向定義為Z方向。

樣機(jī)試驗(yàn)安裝方法見(jiàn)圖5。

圖5 動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證試驗(yàn)

分別在樣機(jī)三個(gè)正交軸向施加白噪聲隨機(jī)波，掃描頻率為0.2～100 Hz，在樣機(jī)的重心點(diǎn)(MA1點(diǎn))、懸臂端(MA2點(diǎn))布置加速度傳感器，探測(cè)設(shè)備X、Y、Z方向的一階自振頻率，得出的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。樣機(jī)在X方向、Y方向和Z方向的自振頻率均大于100 Hz。

表2 試驗(yàn)測(cè)量各加速度測(cè)點(diǎn)自振頻率

在樣機(jī)的抗震分析中，重點(diǎn)需要關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的一階自振頻率，確保一階自振頻率大于33 Hz，以避免貫穿件在地震中因共振產(chǎn)生破壞。通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比得出一階自振頻率的計(jì)算值符合試驗(yàn)測(cè)量值。

4 應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核

4.1 應(yīng)力評(píng)定

對(duì)于核級(jí)承壓設(shè)備電氣貫穿件，為了確保設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足結(jié)構(gòu)完整性的要求，需要對(duì)設(shè)備在各級(jí)使用限制條件下進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定，這也是安全評(píng)定的必要環(huán)節(jié)。設(shè)備載荷包括自重載荷pZ、壓力載荷、溫度載荷pT、地震載荷等。貫穿件密封筒體設(shè)計(jì)內(nèi)壓pd為0.5 MPa。設(shè)備所受環(huán)境壓力在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)的最大絕對(duì)外壓pa為0.85 MPa。貫穿件橫跨安全殼內(nèi)外，殼內(nèi)正常環(huán)境溫度為+15～+45 ℃，殼外正常環(huán)境溫度為+5～+45 ℃，pT按正常服役環(huán)境的最大溫差+40 K考慮。

電氣貫穿件具有設(shè)計(jì)、正常、異常和事故4種工況，強(qiáng)度分析時(shí)必須針對(duì)這4種工況進(jìn)行，以保證其在核電廠壽命期內(nèi)系統(tǒng)壓力邊界完整、功能不喪失。按照RCC-M第I卷第2冊(cè)C篇[2]，電氣貫穿件在4種工況下的載荷組合見(jiàn)表3。

表3 載荷組合

由表1仿真結(jié)果可知：設(shè)備的一階自振頻率大于33 Hz，設(shè)備的自振頻率遠(yuǎn)大于載荷頻率，因此可認(rèn)為設(shè)備具有足夠的抗震剛度，可以將其承受地震載荷過(guò)程簡(jiǎn)化，采用等效靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算，即地震載荷用三個(gè)正交方向同時(shí)作用的加速度引起的等效靜力代替。

分別計(jì)算電氣貫穿件在各載荷作用下的應(yīng)力，并對(duì)4種工況下的載荷組合進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。圖6分別是在自重載荷和SSE載荷下貫穿件筒體應(yīng)力強(qiáng)度云圖。對(duì)各載荷作用下的計(jì)算結(jié)果按表3進(jìn)行組合，表4為貫穿件筒體和安全殼法蘭應(yīng)力校核結(jié)果[3-4](σQ為二次應(yīng)力)，校核結(jié)果為合格。

圖6 應(yīng)力強(qiáng)度云圖

工況應(yīng)力 筒體 法蘭 計(jì)算值應(yīng)力限值結(jié)論計(jì)算值應(yīng)力限值結(jié)論設(shè)計(jì)σm11.40σS=117合格2.44σS=111合格σm+σb24.891.5σS=175合格3.661.5σS=166合格正常σm11.401.1σS=128合格2.441.1σS=122合格σm+σb+σQ27.291.65σS=351合格7.311.65σS=333合格異常σm21.781.1σS=128合格3.211.1σS=122合格σm+σb+σQ52.831.65σS=351合格9.511.65σS=222合格事故σm38.822σS=234合格6.672σS=222合格σm+σb87.263σS=351合格11.153σS=333合格

4.2 焊縫的補(bǔ)充評(píng)定

貫穿件筒體和法蘭之間為對(duì)接焊縫焊接，第4.1節(jié)評(píng)定也適用于對(duì)全焊透焊縫的要求。如采用角焊縫連接，根據(jù)RCC-M焊縫強(qiáng)度的評(píng)定準(zhǔn)則，角焊縫的抗拉許用應(yīng)力和抗剪許用應(yīng)力的修正系數(shù)分別是0.55和0.49。由有限元計(jì)算模型在筒體和端法蘭焊縫處的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可得焊縫在各使用限制下的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果。

表5為法蘭角焊縫應(yīng)力計(jì)算及評(píng)定結(jié)果。

表5法蘭角焊縫應(yīng)力計(jì)算及評(píng)定結(jié)果MPa

使用限制 抗拉應(yīng)力 抗剪應(yīng)力 計(jì)算值應(yīng)力限值計(jì)算值應(yīng)力限值O級(jí)3.8341.000.8837.00A級(jí)6.8945.002.3340.00B級(jí)13.0745.003.1640.00D級(jí)16.2383.002.9974.00

4.3 法蘭的強(qiáng)度計(jì)算和評(píng)定結(jié)果

依據(jù)RCC-M第I卷第2冊(cè)C篇，平封頭和蓋板所需厚度Hp可用以下公式計(jì)算：

(1)

式中：d為筒體內(nèi)直徑，取253 mm；C為機(jī)構(gòu)特征系數(shù)，取0.3；p為內(nèi)壓，取最大工作壓力0.5 MPa；k為修正系數(shù)，取1；Sm為基本許用應(yīng)力強(qiáng)度值，取76 MPa。

由式(1)計(jì)算可得Hp=9.2 mm，而平封頭實(shí)際厚度為32 mm，所需厚度小于實(shí)際厚度，因此端法蘭的設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者采用有限元軟件對(duì)電氣貫穿件在各種工況下的力學(xué)行為進(jìn)行分析，并結(jié)合動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)RCC-M規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定。比較抗震分析數(shù)據(jù)與抗震試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到以下分析結(jié)果：

(1) 有限元分析得到的一階自振頻率為172 Hz，試驗(yàn)得到的一階自振頻率大于100 Hz，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

(2) 由試驗(yàn)和分析可知，電氣貫穿件一階自振頻率大于100 Hz，滿足三代核電標(biāo)準(zhǔn)的大于33 Hz的要求。

(3) 由有限元分析可知，該產(chǎn)品在地震載荷、工作載荷和自重的綜合作用下，最大薄膜應(yīng)力、最大薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力在許用值內(nèi)。

在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，可按照分析方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段或抗震試驗(yàn)之前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抗震分析，以了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而采取改進(jìn)措施，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，同時(shí)也為順利通過(guò)抗震試驗(yàn)提供可靠的參考依據(jù)。