李 華，趙英昆，孟祥蓋，李 寧，繆 嶺

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

安全殼作為防止放射性物質(zhì)泄漏的最后一道屏障，它的密封性和安全性對(duì)減少核事故對(duì)公眾和環(huán)境的影響有至關(guān)重要的作用[1,2]。設(shè)備閘門安裝在反應(yīng)堆安全殼上，是安全殼最大的開孔，要滿足安全殼要求的密封性和安全性，并在核電廠建造安裝和停堆換料期間，作為反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)大型設(shè)備的進(jìn)出通道。

設(shè)備閘門作為安全殼壓力邊界的一部分，是核島重要的機(jī)械設(shè)備。在安全殼穹頂?shù)跹b之前，設(shè)備閘門封頭被運(yùn)入核島，放于存儲(chǔ)裝置上，等待壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件等設(shè)備進(jìn)入核島。同時(shí)，該存儲(chǔ)裝置不僅可以用于核電廠中設(shè)備閘門的存儲(chǔ)，也可用于乏燃料設(shè)備的存儲(chǔ)。在此期間，必須保證存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并且能夠承受OBE 地震載荷。因此，對(duì)乏燃料干式存儲(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性能的研究有重要的意義。

1 存儲(chǔ)裝置模型建立

1.1 幾何模型

設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置主體結(jié)構(gòu)由導(dǎo)軌梁、立柱、兩側(cè)斜撐、下部橫梁、壁面梁架和鋼帶等組成，所有型鋼材料采用Q345C。為準(zhǔn)確模擬設(shè)備的抗震性能，本文將設(shè)備閘門封頭及其存儲(chǔ)裝置全部建模，模擬實(shí)際工況下結(jié)構(gòu)的抗震性能。

設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置的立柱、長(zhǎng)橫梁以及壁面梁架均為H 型鋼，上端支撐設(shè)備閘門的水平梁結(jié)構(gòu)由鋼板焊接而成，所有連接采用螺栓結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)橫梁上設(shè)有兩組連接板對(duì)封頭進(jìn)行輔助約束，兩側(cè)立柱外側(cè)設(shè)有斜支撐梁以增加裝置整體穩(wěn)定性，兩側(cè)橫梁間設(shè)有鋼帶，可約束閘門封頭法向位移，增加抗震穩(wěn)定性。設(shè)備閘門及存儲(chǔ)裝置整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The structure model of equipment hatch storage equipment

1.2 網(wǎng)格劃分

在設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置的有限元分析中，建立有限元模型是關(guān)鍵，而進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，必須選取合適的單元?？紤]到閘門封頭和存儲(chǔ)裝置鋼結(jié)構(gòu)等部分均為典型的薄殼結(jié)構(gòu)，采用殼單元模擬既可以簡(jiǎn)化模型又能顯著減少計(jì)算量，提高模型的分析處理效率[3,4]。因此，本文中閘門封頭及所有支撐立柱和水平梁等主體梁架結(jié)構(gòu)均采用SHELL181 單元建立，采用BEAM188 單元建立水平梁架和支撐立柱間連接的螺栓，采用LINK180單元建立兩側(cè)抗震拉桿。

1.3 載荷及位移邊界條件

設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置是安裝在安全殼內(nèi)壁上的鋼結(jié)構(gòu)，與安全殼內(nèi)壁上的預(yù)埋件焊接固定，兩側(cè)設(shè)有抗震拉桿，抗震拉桿可提高裝置整體的穩(wěn)定性。計(jì)算中，存儲(chǔ)裝置梁架、抗震拉桿與預(yù)埋板焊接處約束了全部自由度，鋼帶和設(shè)備閘門封頭接觸處耦合了法向自由度。設(shè)備閘門封頭通過4 個(gè)滾輪小車作用于水平梁上，模型在水平梁與封頭小車作用范圍耦合了全部自由度。設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置有限元模型及邊界條件如圖2所示。

設(shè)備閘門是安全殼上最大的開孔，也是主要的承壓邊界。存放于存儲(chǔ)裝置上的設(shè)備閘門組件總重約42 t，存儲(chǔ)裝置總重約10 t。本文在存儲(chǔ)裝置整體結(jié)構(gòu)的抗震分析中，將存儲(chǔ)裝置和所承載的設(shè)備閘門組件全部建模，計(jì)算時(shí)僅定義對(duì)應(yīng)材料的密度即可考慮整體模型的自重載荷。同時(shí)，在抗震計(jì)算中考慮的OBE 地震載荷采用存儲(chǔ)裝置安裝標(biāo)高處的樓層響應(yīng)譜作為計(jì)算輸入。

圖2 設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置有限元模型及邊界條件示意圖Fig.2 The finite element model and boundary conditions of equipment hatch storage equipment

2 存儲(chǔ)裝置抗震計(jì)算

2.1 模態(tài)分析

進(jìn)行響應(yīng)譜分析之前，首先需要進(jìn)行模態(tài)分析，本文采用Block Lanczos 方法，前25 階頻率計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 模態(tài)分析結(jié)果Table 1 The result of modal analysis

設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置的前四階振型如圖3～圖6 所示。由于計(jì)算時(shí)考慮了設(shè)備閘門與存儲(chǔ)裝置鋼結(jié)構(gòu)的共同作用，模態(tài)分析結(jié)果顯示，前3 階振型主要為鋼帶和設(shè)備閘門振動(dòng)。因此，在對(duì)存儲(chǔ)裝置抗震分析時(shí)，本文將存儲(chǔ)裝置與設(shè)備閘門的前4階振型結(jié)果分開顯示。單獨(dú)提取出的存儲(chǔ)裝置前4階振型如圖7～圖10所示。

由圖7可知，一階振型主要為輔助約束設(shè)備閘門的鋼帶振動(dòng)。由圖8和圖9可知，二、三階振型中，存儲(chǔ)裝置主體結(jié)構(gòu)開始振動(dòng)，其中底部橫梁振動(dòng)最為顯著。由圖10 可知，四階振型中，上部水平支撐梁開始振動(dòng)。

圖3 設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置一階振型Fig.3 The first vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖4 設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置二階振型Fig.4 The second vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖5 設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置三階振型Fig.5 The third vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖6 設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置四階振型Fig.6 The fourth vibration mode of equipment hatch storage equipment

圖7 存儲(chǔ)裝置一階振型Fig.7 The first vibration mode of storage equipment

圖8 存儲(chǔ)裝置二階振型Fig.8 The second vibration mode of storage equipment

圖9 存儲(chǔ)裝置三階振型Fig.9 The third vibration mode of storage equipment

圖10 存儲(chǔ)裝置四階振型Fig.10 The fourth vibration mode of storage equipment

2.2 響應(yīng)譜分析

由表1 中的模態(tài)分析結(jié)果可知，第25 階頻率開始大于截?cái)囝l率，各個(gè)方向參與振動(dòng)的有效質(zhì)量之和均達(dá)到了總質(zhì)量的90%。所以，進(jìn)行響應(yīng)譜分析時(shí)，本文選擇前25 階頻率進(jìn)行計(jì)算[5]。存儲(chǔ)裝置安裝標(biāo)高處的各個(gè)方向的加速度響應(yīng)頻譜值如表2所示。

進(jìn)行響應(yīng)譜分析時(shí)，各階振型響應(yīng)的組合采用平方和的平方根方法，3個(gè)方向地震響應(yīng)的組合也采用平方和的平方根（SRSS）方法。進(jìn)行響應(yīng)譜分析后，本文對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行剛體修正：將X、Y、Z 方向上的零周期加速度乘以各個(gè)方向的剩余質(zhì)量施加到模型上，將該計(jì)算結(jié)果與響應(yīng)譜分析結(jié)果組合[5]。

3 存儲(chǔ)裝置計(jì)算結(jié)果分析

前面對(duì)設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置進(jìn)行了抗震計(jì)算，這里將對(duì)存儲(chǔ)裝置整體鋼結(jié)構(gòu)抗震性能和連接螺栓強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析，研究OBE 地震工況下，設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.1 存儲(chǔ)裝置整體結(jié)構(gòu)分析

設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置在OBE 地震工況下的薄膜應(yīng)力分布云圖、薄膜加彎曲應(yīng)力分布云圖如圖11和圖12所示。由圖可知，應(yīng)力較大處主要位于設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置的上部水平梁架支撐設(shè)備閘門處、下橫梁連接板處和壁面梁架與設(shè)備閘門連接處。

表2 加速度響應(yīng)頻譜值Table 2 The FFT spectrum of acceleration response

單獨(dú)提取的存儲(chǔ)裝置模型的應(yīng)力云圖如圖13 和圖14 所示。最大應(yīng)力產(chǎn)生于水平梁架支撐設(shè)備閘門處，最大薄膜應(yīng)力σm=171 MPa，最大薄膜加彎曲應(yīng)力σm+σb=215 MPa（σb為彎曲應(yīng)力）。本文根據(jù)RCC-M 規(guī)范中的B 級(jí)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定，σm＜1.0 S=295 MPa，σm+σb＜1.5 S=295 MPa。因此，在OBE 地震工況下，設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置的強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范[6]的要求。

圖11 設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置薄膜應(yīng)力云圖Fig.11 The membrane stress of equipment hatch storage equipment

圖12 設(shè)備閘門和存儲(chǔ)裝置薄膜加彎曲應(yīng)力云圖Fig.12 The membrane plus bending stress of equipment hatch storage equipment

圖13 存儲(chǔ)裝置薄膜應(yīng)力云圖Fig.13 The membrane stress of storage equipment

圖14 存儲(chǔ)裝置薄膜加彎曲應(yīng)力云圖Fig.14 The membrane plus bending stress of storage equipment

3.2 連接螺栓強(qiáng)度分析

由于設(shè)備閘門組件和存儲(chǔ)裝置鋼結(jié)構(gòu)的總重量達(dá)到52 t，為了便于后期拆除，存儲(chǔ)裝置均采用螺栓連接的梁架結(jié)構(gòu)。因此，本文必須對(duì)連接螺栓在OBE地震工況下的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

在存儲(chǔ)裝置鋼結(jié)構(gòu)中，所有連接螺栓均采用8.8級(jí)M30的35CrMoA材料的高強(qiáng)度螺栓，該螺栓許用拉伸應(yīng)力為400 MPa，許用剪切應(yīng)力達(dá)到250 MPa。依據(jù)抗震計(jì)算結(jié)果，本文提取出所有連接螺栓最大受力情況，如表3所示。M30螺栓的應(yīng)力截面積[7]為A=561 mm2，預(yù)緊力最大值[8]P=341 kN，屈服強(qiáng)度[9]Sy=835 MPa，計(jì)算得到的連接螺栓的最大拉伸應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力列于表3中。在OBE地震工況下，存儲(chǔ)裝置連接螺栓按照RCC-M中的B級(jí)準(zhǔn)則[6]校核，結(jié)果顯示，所有連接螺栓強(qiáng)度均滿足要求。

表3 螺栓最大應(yīng)力情況及評(píng)定Table 3 The limit stress and assessment of bolts

4 結(jié)論

本文采用有限元法對(duì)設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置建立了完整的有限元模型，分析了存儲(chǔ)裝置在OBE 地震工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，得到結(jié)論如下：

（1）設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置在OBE地震工況下的應(yīng)力最大處位于上部水平梁架支撐設(shè)備閘門處；

（2）在OBE 地震工況下，設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置梁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度低于其許用應(yīng)力值，滿足RCC-M規(guī)范的要求；

（3）在OBE地震工況下，設(shè)備閘門存儲(chǔ)裝置鋼結(jié)構(gòu)的連接螺栓強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范的要求。