梁建剛，彭 建，吳高峰

(中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東深圳 518172)

0 引言

2001年美國“9·11事件”震驚了全世界，核電廠在大型商用飛機(jī)撞擊下的安全問題也成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。核電站抵御飛機(jī)撞擊的問題已引起了國際上的普遍重視。我國核安全法規(guī)和核安全導(dǎo)則都有關(guān)于核電廠遭遇飛機(jī)撞擊時(shí)的要求。國際核行業(yè)對(duì)于核電廠遭遇大型商用飛機(jī)撞擊的法律法規(guī)也在逐步完善。健全核電廠超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)飛機(jī)撞擊的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)具有重大意義的工作，是我國擁有完整核電技術(shù)體系不可缺少的一部分[2]。

美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150明確要求新設(shè)計(jì)核電廠需考慮大型商用飛機(jī)的撞擊，歐洲三代核電站需考慮大型商用飛機(jī)撞擊和軍用飛機(jī)撞擊的事件[3]。我國新版《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》(HAF 102—2016) 中明確了對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊事件的要求。為了支持聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150的實(shí)施，2011年美國核管會(huì)正式出版導(dǎo)則RG1.217,并確定美國核能研究院NEI07-13中提供的方法可作為飛機(jī)撞擊評(píng)估的方法。NEI07-13中列出飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的幾種效應(yīng)及相應(yīng)的評(píng)估要求，沒有提供對(duì)沖擊振動(dòng)計(jì)算分析的具體方法，僅給出了飛機(jī)撞擊下的振動(dòng)評(píng)價(jià)規(guī)則、設(shè)備遠(yuǎn)離撞擊位置相應(yīng)的最佳易損度下的加速度限值。美國西屋公司在開展AP1000堆型研發(fā)過程中，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證分析工作，包括飛機(jī)撞擊的縮比試驗(yàn)驗(yàn)證等；美國ANATECH公司在與韓國公司進(jìn)行核電廠評(píng)估設(shè)計(jì)過程中開展了振動(dòng)計(jì)算分析研究，并對(duì)飛機(jī)撞擊振動(dòng)分析評(píng)估進(jìn)行相關(guān)的研究，給出了飛機(jī)撞擊下的加速度等值線，可為安全相關(guān)設(shè)備的布置提供指導(dǎo)。臺(tái)山EPR項(xiàng)目中關(guān)于大型商用飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，在設(shè)計(jì)文件中沒有具體的計(jì)算方法描述，僅提及EPR項(xiàng)目采用了專設(shè)APC殼結(jié)構(gòu)，飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)樓層反應(yīng)譜被地震樓層反應(yīng)譜包絡(luò)。

目前，國內(nèi)對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊的研究比較重視，上海核工程研究設(shè)計(jì)院牽頭開展了核電廠抗大型商用飛機(jī)撞擊的國家重大專項(xiàng)課題研究；中國核電工程有限公司依托華龍一號(hào)項(xiàng)目開展了大型商用飛機(jī)撞擊核電廠時(shí)的碰撞動(dòng)力分析、振動(dòng)分析和火災(zāi)防護(hù)分析。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)飛機(jī)撞擊建(構(gòu))筑物進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果，包括撞擊載荷、撞擊毀傷效應(yīng)、撞擊引起的振動(dòng)特性等[4]。本文選取某核電廠一個(gè)管道單元，借助管道分析軟件PIPESTRESS對(duì)管道單元開展反應(yīng)譜分析，獲得大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道響應(yīng)，并將管道單元在大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的響應(yīng)進(jìn)行分析，分析管道在大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的響應(yīng)差異；并對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊載荷評(píng)定方法進(jìn)行探討，為后續(xù)管道抗擊大型商用飛機(jī)撞擊設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析主要用于時(shí)間-歷程分析，以便確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)載荷或隨時(shí)間變化載荷的動(dòng)力響應(yīng)分析情況，如地震、颶風(fēng)、海洋波浪等。反應(yīng)譜分析理論創(chuàng)立以來歷經(jīng)幾十年的歷史，為地震工程和抗震設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，在工程實(shí)踐中，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算具有十分重要的意義[5-8]。本文采用反應(yīng)譜分析方法對(duì)選取的管道單元開展分析，獲得大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.1 管道單元選取

選取某核電廠燃料廠房PTR系統(tǒng)的一個(gè)管道單元作為典型單元開展分析。該P(yáng)TR管道單元布置標(biāo)高處于-4.500～18.300 m之間，規(guī)范等級(jí)為3級(jí)，管徑外徑DR=323.8 mm，壁厚TR=4.57 mm，設(shè)計(jì)溫度T=110 ℃，設(shè)計(jì)壓力P=1.0 MPa，介質(zhì)密度1 000 kg/m3?；赑IPESTRESS軟件建立的某核電站PTR管道單元模型如圖1所示。

圖1 某核電站PTR管道單元模型Fig.1 Model of the PTR pipeline unit for a nuclearpower plant

1.2 大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜分析

大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜分別見圖2,3。飛機(jī)撞擊譜水平方向最大加速度21.5g，頻率分布在25.0～47.0 Hz之間；飛機(jī)撞擊譜豎直方向最大加速度7.8g，頻率分布在38.0～58.0 Hz之間。地震譜水平方向最大加速度4.3g，頻率分布在3.4～8.4 Hz之間；地震譜豎直方向最大加速度2.2g，頻率分布在4.0～6.9 Hz之間。

圖2 大型商用飛機(jī)撞擊譜Fig.2 Large commercial aircraft impact spectrum

圖3 地震譜Fig.3 Seismic spectrum

大型商用飛機(jī)撞擊譜的峰值加速度遠(yuǎn)大于地震譜的峰值加速度；峰值加速度分布的頻率段不同，飛機(jī)撞擊譜峰值加速度處于較高頻率段，地震譜峰值加速度處于較低頻率段。

1.3 截止頻率及模態(tài)

動(dòng)力分析時(shí)截止頻率的選取至關(guān)重要，合理地選取截止頻率才能獲取正確的動(dòng)力分析結(jié)果。本文地震分析時(shí)截止頻率取100 Hz，大型商用飛機(jī)撞擊分析時(shí)截止頻率取100 Hz，頻率分布如表1所示。

表1 頻率分布Tab.1 Frequency distribution

1.4 大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的管道響應(yīng)分析

采用PIPESTRESS軟件開展反應(yīng)譜分析，得到大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道最大響應(yīng)在PIPESTRESS模型中的115節(jié)點(diǎn)處，飛機(jī)撞擊譜下管道的最大應(yīng)力為372.20 MPa，見圖4。

圖4 大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道應(yīng)力分布Fig.4 Pipe stress distribution under the impact spectrum of large commercial aircraft

采用PIPESTRESS軟件開展反應(yīng)譜分析，得到地震譜下的管道最大響應(yīng)在PIPESTRESS模型中的115節(jié)點(diǎn)處，地震譜下管道的最大應(yīng)力為89.57 MPa，見圖5。

圖5 地震譜下的管道應(yīng)力分布Fig.5 Pipe stress distribution under the seismic spectrum

大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道響應(yīng)遠(yuǎn)大于地震譜下的管道響應(yīng)，主要有三個(gè)原因：(1)大型商用飛機(jī)撞擊譜的峰值加速度遠(yuǎn)大于地震譜的峰值加速度；(2)大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜的峰值加速度頻率分布區(qū)間差異很大，大型商用飛機(jī)撞擊譜峰值加速度處于25.0～47.0 Hz頻率之間，而地震譜峰值加速度處于3.4～8.4 Hz頻率之間；(3)管道單元固有模態(tài)在6.5～50 Hz區(qū)間分布呈高度密集分布，50 Hz后開始呈逐漸稀疏分布。

2 評(píng)定準(zhǔn)則探討

美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150將大型商用飛機(jī)的撞擊事件確定為超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件。通過動(dòng)力分析獲得大型商用飛機(jī)撞擊載荷下的管道響應(yīng)，對(duì)于評(píng)價(jià)大型商用飛機(jī)撞擊下的管道響應(yīng)，相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)沒有給出評(píng)定準(zhǔn)則。臺(tái)山EPR項(xiàng)目采用了APC殼結(jié)構(gòu)，飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)樓層反應(yīng)譜被地震樓層反應(yīng)譜包絡(luò)，避免了對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)開展詳細(xì)分析。但JIN等[9]對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊核電站引起的振動(dòng)特性進(jìn)行了初步分析，指出飛機(jī)撞擊引起的振動(dòng)不同于地震事件,飛機(jī)撞擊載荷與地震載荷相比，持續(xù)時(shí)間短，撞擊引起的振動(dòng)頻率主要集中在高頻，并建立了核電站簡化模型，研究了不同參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響；孫德綸等[10]明確指出，對(duì)于飛機(jī)撞擊所引起的安全殼響應(yīng)，從加速度來看，地震引起的低頻響應(yīng)嚴(yán)重，而飛機(jī)撞擊引起的高頻響應(yīng)嚴(yán)重。綜上所述，大型商用飛機(jī)撞擊核電站產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)及評(píng)定準(zhǔn)則是當(dāng)下需要研究的方向。

3 管道評(píng)定及優(yōu)化分析

基于對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊載荷缺少可供參考的評(píng)定準(zhǔn)則，充分借鑒對(duì)地震評(píng)定準(zhǔn)則的成熟經(jīng)驗(yàn)。將管道在飛機(jī)撞擊譜下的響應(yīng)按照RCC-M規(guī)范D級(jí)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。管道應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見表2，管道應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表3。

表2 管道應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則Tab.2 Pipe stress assessment criteria

表3 管道應(yīng)力評(píng)定結(jié)果Tab.3 Pipe stress assessment results

地震譜下管道應(yīng)力評(píng)定公式(10)應(yīng)力比為0.384，大型商用飛機(jī)撞擊譜下管道應(yīng)力評(píng)定公式(10)應(yīng)力比為1.480，選取的管道單元能承受地震載荷，但是無法承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷。

為使選取的管道單元能承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷，對(duì)選取的管道單元開展優(yōu)化分析。以RCC-M規(guī)范D級(jí)準(zhǔn)則公式(10)應(yīng)力比≤1.0為目標(biāo)，采用優(yōu)化支架的措施，對(duì)所選管道單元進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化后的管道單元需要修改1個(gè)支架功能，增加3個(gè)剛性支架和7個(gè)阻尼器。優(yōu)化后的管道單元布置見圖6。

圖6 優(yōu)化后的管道單元布置Fig.6 Optimized pipe unit layout

4 結(jié)論

本文對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊核電廠的研究情況進(jìn)行分析，并研究了振動(dòng)效應(yīng)對(duì)管道的影響，得到如下結(jié)論。

(1)通過反應(yīng)譜分析獲得大型商用飛機(jī)撞擊譜和地震譜下的管道響應(yīng)，對(duì)比了大型商用飛機(jī)撞擊譜下的管道響應(yīng)和地震譜下的管道響應(yīng)，得到兩種譜的管道響應(yīng)的差異原因，主要有：譜的峰值加速度差異；譜的頻率分布區(qū)間差異；選取計(jì)算單元的固有模態(tài)分布差異。

(2)對(duì)大型商用飛機(jī)撞擊下管道的評(píng)定方法進(jìn)行探討，并使用RCC-M規(guī)范D級(jí)準(zhǔn)則對(duì)選取的管道單元進(jìn)行評(píng)定，選取的計(jì)算單元能承受地震載荷，但是無法承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷。為使選取的管道單元能承受大型商用飛機(jī)撞擊載荷，對(duì)其開展優(yōu)化分析，提出管道單元能承受大型商業(yè)飛機(jī)撞擊載荷需要采用的措施。