樓燁 葉奇

（中國核電工程有限公司，北京100840）

0 前言

大氣釋放閥為二回路關(guān)鍵敏感設(shè)備[1]，其配套的大氣釋放閥消音器是包括結(jié)構(gòu)支撐的，具有消音功能的立式設(shè)備，主要由消音器筒體，消音器防雨彎管、底板、防鳥網(wǎng)組件等零部件組成。該設(shè)備一般有多臺，均安裝在核電站廠房頂端，通過錨固螺栓以及預(yù)埋鋼板固定在頂部平臺上。為保證消音器符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求需要對大氣消音器釋放閥的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。消音器設(shè)備距離通風(fēng)管、墻面、圍欄距離均較近，考慮到空間原因，設(shè)計(jì)上除了采用消音器罩殼外，還在消音器罩殼上加設(shè)異形筒體遮雨罩，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。底部罩殼與異形筒體焊接連接，遮雨罩開口設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，防止飛鳥或雜物進(jìn)入。候條件，千年一遇0.6 kPa進(jìn)行計(jì)算，承載面為設(shè)備上表面，沿重力方向垂直加載。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和風(fēng)壓考慮消音器垂直安裝在廠房靠近安全殼一側(cè)的頂部平臺上，因此計(jì)算時(shí)按照當(dāng)?shù)貧夂驐l件取最高處風(fēng)壓1.92 kPa。承載面為設(shè)備最大迎風(fēng)面，沿水平方向加載。流體沖擊載荷，消音器出口蒸汽流速約為80 m/s。蒸汽密度約為0.5 kg/m3。根據(jù)能量守恒原理，則對應(yīng)蒸汽壓力為：。保守的考慮壓力均勻的作用在整個(gè)計(jì)算模型殼體內(nèi)壁。

圖1 消音器圖示

地震載荷，考慮Operating-Basis Earthquake（OBE）級地震和Safety Shutdown Earthquake（SSE）級地震。OBE響應(yīng)譜取SSE的1/2；SSE響應(yīng)譜結(jié)構(gòu)阻尼比保守取2%。

2 力學(xué)分析要求

2.1 筒體設(shè)備應(yīng)滿足條件

該設(shè)備評定時(shí)按照核3級設(shè)備評定，即要求設(shè)備在SSE地震下能保證其完整性[2]。準(zhǔn)則和相應(yīng)的應(yīng)力限值如表1所示：

表1 筒體設(shè)備評定應(yīng)力限制

1 大氣釋放閥消音器所受載荷

力學(xué)分析所考慮的載荷包括：結(jié)構(gòu)自重、雪載荷、風(fēng)載荷及地震載荷以及消音器出口蒸汽造成的壓力。

實(shí)際設(shè)備重量，消音器上端約1 420 kg，變徑筒體部分約為1 100 kg，底板部分約為458 kg，總計(jì)2 978 kg?？紤]到螺栓重量以及焊接等因素的影響，保守估計(jì)計(jì)算總質(zhì)量約為3 000 kg。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雪荷載按照當(dāng)?shù)貧?/p>

表中：σm——總體薄膜應(yīng)力；σb——彎曲應(yīng)力；

σL——局部薄膜應(yīng)力；

σm+σb——薄膜加彎曲應(yīng)力；

S——基本許用應(yīng)力，該設(shè)備按照規(guī)范3級設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)評定，根據(jù)RCC-M規(guī)范要求需乘以0.85的系數(shù)。

2.2 螺栓應(yīng)滿足條件

對于鐵素體螺栓評定的應(yīng)力限制如下：

承受純拉伸的螺栓緊固件的平均拉伸應(yīng)力應(yīng)限制在Ftb以內(nèi)：

承受純剪切的螺栓緊固件的平均剪切應(yīng)力應(yīng)限制在Fvb以內(nèi)：

同時(shí)承受拉伸和剪切力的螺栓中，應(yīng)滿足下列方程式：

ft——計(jì)算拉伸應(yīng)力

fv——計(jì)算剪切應(yīng)力

Ftb——許用拉伸應(yīng)力

Fvb——許用剪切應(yīng)力

Su——抗拉強(qiáng)度

對于固定底板的螺栓材料為鐵素體不銹鋼SA 193 Type B16：

Ftb=0.5Su=0.5×862=431MPa

Fvb=5Su/24=5×862/24=179.59MPa

對于將筒體固定在底板上的螺栓材料為鋼8.8-Zn 5B：

Ftb=0.5Su=0.5×830=415MPa

Fvb=5Su/24=5×830/24=172.92MPa

2 數(shù)值計(jì)算

采用有限元方法計(jì)算設(shè)備在各種載荷下的應(yīng)力。對于雪載，施加在彎管頂面上。對于風(fēng)載，施加在水平最大迎風(fēng)面積上。對于地震作用，計(jì)算時(shí)采用BLOCK LANCZOS（分塊蘭索斯法）法提取結(jié)構(gòu)模態(tài)[3]，用響應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，用CQC法對各階模態(tài)和地震三個(gè)方向作用分別進(jìn)行組合[4]，考慮丟失質(zhì)量對結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時(shí)利用GUPTA算法對結(jié)構(gòu)的剛體響應(yīng)作出修正[5]。將計(jì)算得到的三個(gè)方向的結(jié)果用SRSS方法組合后，可分別得到OBE和SSE地震對設(shè)備的最大響應(yīng)。

計(jì)算模型由4節(jié)點(diǎn)SHELL單元組成，整個(gè)模型中共有70186個(gè)單元。底板通過12個(gè)連接螺栓錨固在頂部平臺上，施加UX=UY=UZ=0的約束條件，罩蓋通過16個(gè)連接螺栓與底板固定，螺栓連接處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。雪荷載加在彎管上部表面上，作用力垂直向下。風(fēng)荷載作用在整體最大迎風(fēng)面積上，作用力水平。自重加在所有單元上。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對表1中所列的載荷工況進(jìn)行組合，求出設(shè)備在各工況下的最大應(yīng)力值，提取計(jì)算結(jié)果，列出設(shè)備在各工況下設(shè)備各部件的應(yīng)力結(jié)果。

3.1 模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果

對整體結(jié)構(gòu)作模態(tài)分析，計(jì)算達(dá)到截止頻率，前15階模態(tài)的頻率列于表2中。

表2 整體結(jié)構(gòu)的固有頻率及有效質(zhì)量

3.2 筒體設(shè)備應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

筒體設(shè)備包括筒體及封頭、接管、管板、法蘭等。正常/設(shè)計(jì)工況下，設(shè)備應(yīng)力分布如圖3所示；異常工況下，設(shè)備應(yīng)力分布如圖4所示；事故工況下，設(shè)備應(yīng)力分布如圖5所示。整理筒體設(shè)備在各工況的最大應(yīng)力得表3。

圖3 正常/設(shè)計(jì)工況設(shè)備應(yīng)力分布/Pa

圖4 異常工況設(shè)備應(yīng)力分布/Pa

圖5 事故工況設(shè)備應(yīng)力分布/Pa

表3 設(shè)備在各工況下的最大應(yīng)力

由表3可知，設(shè)備的應(yīng)力滿足要求。

3.3 螺栓計(jì)算結(jié)果與評定

罩蓋通過16個(gè)M30（有效截面積561mm2）螺栓固定在底板上。經(jīng)計(jì)算，得到連接螺栓在各工況下的最大軸力和最大剪力，如表4所示。從而可求得最大軸向拉伸應(yīng)力與最大剪應(yīng)力，如表5所示。

表4 罩蓋連接螺栓在各工況下的最大受力情況

表5 罩蓋連接螺栓在各工況下的最大應(yīng)力情況

由表5可知，罩蓋與底板之間的連接螺栓應(yīng)力滿足要求。

底板通過12個(gè)M36（有效截面積817mm2）螺栓固定在基礎(chǔ)上。經(jīng)計(jì)算，得到錨固螺栓在各工況下的最大軸力和最大剪力，如表6所示。從而可求得最大軸向拉伸應(yīng)力與最大剪應(yīng)力，如表7所示。

表6 底板錨固螺栓在各工況下的最大受力情況

表7 底板錨固螺栓在各工況下的最大應(yīng)力情況

由表7可知，底板與基礎(chǔ)之間的錨固螺栓應(yīng)力滿足要求。

3.4 屈曲分析

根據(jù)RCC-M J3200，對厚度6 mm的上部彎管筒體進(jìn)行屈曲評定，對應(yīng)的屈曲限制如下：

對上部筒體軸向壓縮應(yīng)力評定如下：

在自重、風(fēng)載、雪載、正常工況作用下，經(jīng)計(jì)算分析筒體的最大軸向壓縮應(yīng)力為在自重、風(fēng)載、雪載、異常工況和OBE地震載荷作用下，經(jīng)計(jì)算分析筒體的最大軸向壓縮應(yīng)力

在自重、風(fēng)載、雪載、事故工況接管載荷和SSE地震載荷作用下，經(jīng)計(jì)算分析筒體的最大軸向壓縮應(yīng)力為：

對上部筒體周向壓縮應(yīng)力評定如下：

在風(fēng)載作用下，筒體周向應(yīng)力為：

在雪載作用下，筒體周向應(yīng)力為：

根據(jù)RCC-M J3200，對厚度10 mm的下部變徑筒體屈曲評定，對應(yīng)的屈曲限制如下：

對下部筒體軸向壓縮應(yīng)力評定如下：

在自重、風(fēng)載、雪載、正常工況作用下，經(jīng)計(jì)算分析筒體的最大軸向壓縮應(yīng)力為

在自重、風(fēng)載、雪載、異常工況和OBE地震載荷作用下，經(jīng)計(jì)算分析筒體的最大軸向壓縮應(yīng)力

在自重、風(fēng)載、雪載、事故工況和SSE地震載荷作用下，經(jīng)計(jì)算分析筒體的最大軸向壓縮應(yīng)力為

對上部彎管筒體周向壓縮應(yīng)力評定如下：

在風(fēng)載作用下，筒體周向應(yīng)力為：

在雪載作用下，筒體周向應(yīng)力為：

綜合以上計(jì)算結(jié)果，消音器符合要求，不會(huì)造成屈曲破壞。

4 結(jié)論

大氣釋放閥消音器設(shè)備設(shè)計(jì)過程中由于考慮到其安全性及對其他設(shè)備的影響，整體結(jié)構(gòu)需要向上延展，造成了其豎直方向高度增加較大，同時(shí)由于其位于廠房頂端，結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增加，需要對其進(jìn)行抗震分析。大氣釋放閥消音器同時(shí)還面臨著風(fēng)、雪等極端氣候的影響，內(nèi)部蒸汽沖擊也會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在大氣釋放閥消音器結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析過程中還要考慮屈曲的影響。只有綜合考慮以上所有載荷下的分析結(jié)果，才能保證其安全有效的運(yùn)行，提高核電站的在役期間的穩(wěn)定性。