尤國英， 葉昌錚， 劉銀芳

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部， 江蘇無錫 214151)

為保障核電廠運(yùn)行的安全可靠性，有關(guān)核安全的法規(guī)、導(dǎo)則和有關(guān)抗震設(shè)計(jì)、鑒定的標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布，如RCC-M規(guī)范[1]、ASME-Ⅲ規(guī)范[2]?？拐鹪O(shè)計(jì)、鑒定的目的是保證設(shè)備在發(fā)生安全停堆地震時(shí)能夠維持其結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，并執(zhí)行其安全功能[3]。

設(shè)備的抗震鑒定方法有試驗(yàn)法、分析法、經(jīng)驗(yàn)法，以及將以上方法結(jié)合的方法[4]。電氣設(shè)備大多采用試驗(yàn)法鑒定，也可采用分析法鑒定?？拐鸱治鐾ǔ２捎梅磻?yīng)譜法，但對于第1階固有頻率高于33 Hz的剛性結(jié)構(gòu)，可采用等效靜力法，其計(jì)算結(jié)果偏于保守[5-6]。分析法有其特殊的優(yōu)越性，通過計(jì)算可得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)和任意位置的地震響應(yīng)，再反過來指導(dǎo)設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

核電廠SBO(全廠斷電事故工況)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源的主要設(shè)備之一，其主要功能是在場外電源、主發(fā)電機(jī)和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組供電均丟失的情況下，向設(shè)計(jì)負(fù)載供電，保障安全級系統(tǒng)和部件的電力供應(yīng)，從而確保反應(yīng)堆的亞臨界度和冷卻，或限制反應(yīng)堆污染的放射性。SBO柴油發(fā)電機(jī)組屬于安全重要非安全級(F-SC3級)設(shè)備，抗震類別為Ⅰ類，必須經(jīng)過抗震鑒定。

采用有限元法建立了某核電廠SBO柴油發(fā)電機(jī)組抗震分析的3個(gè)力學(xué)模型(機(jī)組撬體模型、柴油機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型)，采用反應(yīng)譜法對機(jī)組撬體模型進(jìn)行抗震分析，采用等效靜力法對柴油機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行抗震分析，地震載荷等效為慣性力，其加速度值取自于機(jī)組撬體模型的計(jì)算結(jié)果。

1 設(shè)備概況

該SBO柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率為3 100 kW，額定電壓為10 kV，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，設(shè)計(jì)壽命為60 a，柴油機(jī)型號為16V280ZLD，發(fā)電機(jī)型號為ZFC7 505-65E。柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備集成在公共底架上，組成一個(gè)撬體結(jié)構(gòu)，具體見圖1。公共底架底部設(shè)有隔振器，通過地腳螺栓與基礎(chǔ)固定。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組撬體結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算方法

采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件[7]建立機(jī)組撬體和發(fā)電機(jī)的幾何模型，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件[8]，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、加載并求解，最后進(jìn)行結(jié)果處理。采用PATRAN前后處理軟件[9]建立柴油機(jī)的幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載及參數(shù)設(shè)置，再調(diào)用NASTRAN有限元分析軟件[10]進(jìn)行求解，最后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入PATRAN軟件進(jìn)行后處理。

抗震分析主要包括：

(1) 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

(2) 地震響應(yīng)分析。對于機(jī)組撬體模型，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震響應(yīng)分析，并采用平方和開平方(SRSS)法進(jìn)行組合；對于柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)模型，采用等效靜力法進(jìn)行地震響應(yīng)分析，將地震載荷作為慣性力作用于質(zhì)心。

(3) 應(yīng)力評定和位移評定。將地震載荷與其他載荷(如自重載荷、接管推力載荷、運(yùn)行載荷等)的響應(yīng)進(jìn)行疊加，依據(jù)規(guī)范要求按不同載荷準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力評定和位移評定。

3 力學(xué)模型

3.1 有限元網(wǎng)格模型

3.1.1 機(jī)組撬體

機(jī)組撬體由公共底架、隔振器，以及安裝在底架上的主設(shè)備(柴油機(jī)、發(fā)電機(jī))和輔助設(shè)備(如滑油冷卻器、滑油精濾器、強(qiáng)制循環(huán)式水預(yù)熱器、電動(dòng)盤車裝置、空氣啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)等)組成。將設(shè)備簡化為質(zhì)量塊，底架下的隔振器用彈簧阻尼單元模擬。采用SOLID185實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元網(wǎng)格模型見圖2，彈簧一端接地，作為固定約束。地震載荷通過彈簧傳遞到結(jié)構(gòu)上。

圖2 機(jī)組撬體有限元網(wǎng)格模型

3.1.2 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)由機(jī)座、支架、隔板、端蓋、轉(zhuǎn)軸、軸承座、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子繞組、定子繞組等部件組成。采用SOLID185實(shí)體單元和SHELL181板殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。發(fā)電機(jī)有限元網(wǎng)格模型見圖3，機(jī)座底板安裝螺栓孔處作為固定邊界約束。

圖3 發(fā)電機(jī)有限元網(wǎng)格模型

3.1.3 柴油機(jī)

柴油機(jī)由機(jī)體、支座、油底殼、曲軸、活塞、連桿、缸套、軸承座、進(jìn)排氣管、中冷器、渦輪增壓器、彈性聯(lián)軸器等部件組成，一些次要部件簡化為集中質(zhì)量。大部分部件為板殼結(jié)構(gòu)，采用板殼單元(SHELL)劃分網(wǎng)格，曲軸、連桿等線型結(jié)構(gòu)采用梁單元(BEAM)模擬，連接螺栓采用剛性單元(RBE2)模擬。柴油機(jī)有限元網(wǎng)格模型見圖4，支座底板安裝螺栓孔處作為固定邊界約束。

圖4 柴油機(jī)有限元網(wǎng)格模型

3.2 材料參數(shù)

表1為設(shè)備主要部件的材料性能參數(shù)。設(shè)備或部件采用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接固定，表2為設(shè)備主要承載螺栓的性能參數(shù)。

表1 材料的性能參數(shù)

表2 螺栓的性能參數(shù)

3.3 載荷條件

機(jī)組受到的載荷包括結(jié)構(gòu)自重載荷DW、柴油機(jī)運(yùn)行載荷(如柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩載荷TN、部件內(nèi)壓載荷P、溫度載荷T、外部接管載荷NL)、發(fā)電機(jī)發(fā)生兩相短路故障時(shí)的電磁力矩載荷EMT2、安全停堆地震載荷SSE。機(jī)組撬體模型輸入的地震載荷，采用了機(jī)組所處樓層反應(yīng)譜的包絡(luò)譜(見表3)。

表3 樓層反應(yīng)譜包絡(luò)譜

依據(jù)RCC-M規(guī)范，按A級和C級載荷準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力和位移評定，分別對應(yīng)于正常工況和事故工況。正常工況和事故工況的載荷組合見表4。

表4 正常工況和事故工況的載荷組合

4 應(yīng)力和位移限值

4.1 板殼型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

根據(jù)RCC-M規(guī)范，對于板殼型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力限值見表5，其中：Pm為一次總體薄膜應(yīng)力；Pb為一次彎曲應(yīng)力；Pe為二次膨脹應(yīng)力；S為材料基本許用應(yīng)力，S取2Sy/3和Su/4中的較小值(Sy為屈服強(qiáng)度、Su為抗拉強(qiáng)度)。對于實(shí)體單元，通過應(yīng)力線性化方法提取薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，可參照板殼型結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力評定。

表5 板殼型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

4.2 線型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

根據(jù)RCC-M規(guī)范，對于曲軸、連桿等線型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力限值見表6，其中：fa、fb分別為梁截面拉壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力；Fa、Fb分別為材料拉壓和彎曲許用應(yīng)力。

表6 線型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

4.3 螺栓的應(yīng)力限值

根據(jù)RCC-M 規(guī)范，螺栓的應(yīng)力限值見表7，其中：ft為拉應(yīng)力；fv為剪應(yīng)力；Ftb為許用拉應(yīng)力；Fvb為許用剪應(yīng)力。

表7 螺栓的應(yīng)力限值

4.4 位移限值

為保證發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性，必須對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的變形進(jìn)行限制，以避免轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件因結(jié)構(gòu)變形而發(fā)生摩擦。設(shè)備廠家提供的發(fā)電機(jī)可運(yùn)行性要求為：轉(zhuǎn)子與定子之間的最大相對位移應(yīng)不大于初始?xì)庀?7.7 mm)的十分之一。

5 結(jié)果與評定

5.1 固有頻率

3個(gè)結(jié)構(gòu)的前10階固有頻率見表8。機(jī)組撬體的前6階振型為隔振器變形產(chǎn)生的整體振動(dòng)，第7階振型為整體垂直振動(dòng)(公共底架發(fā)生彎曲變形)；發(fā)電機(jī)的第1階至第5階振型為轉(zhuǎn)軸或機(jī)座拉筋彎曲振動(dòng)(局部模態(tài))，第6階振型為整體軸向振動(dòng)；柴油機(jī)的第1階振型為彈性聯(lián)軸器軸向振動(dòng)(局部模態(tài))，第2階振型為整體橫向振動(dòng)。

表8 各結(jié)構(gòu)的固有頻率

結(jié)構(gòu)的第1階、第7階模態(tài)振型分別見圖5和圖6。

圖5 結(jié)構(gòu)的第1階模態(tài)振型

圖6 結(jié)構(gòu)的第7階模態(tài)振型

5.2 響應(yīng)加速度

表9為機(jī)組各設(shè)備的最大響應(yīng)加速度。在對公共底架上的設(shè)備進(jìn)行抗震分析時(shí)，該響應(yīng)加速度可以作為地震載荷的輸入?yún)?shù)。

表9 最大響應(yīng)加速度

5.3 應(yīng)力評定

結(jié)構(gòu)應(yīng)力按最大主應(yīng)力進(jìn)行評定。正常工況下，公共底架、發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不大，均小于應(yīng)力限值，故不進(jìn)行詳細(xì)介紹。事故工況下，公共底架最大主應(yīng)力為80.5 MPa，小于應(yīng)力限值(93.5 MPa)，強(qiáng)度滿足要求。事故工況下，發(fā)電機(jī)最大主應(yīng)力為186.8 MPa，位于轉(zhuǎn)軸上后軸承支撐處，經(jīng)應(yīng)力線性化后，最大薄膜應(yīng)力為30.5 MPa，小于應(yīng)力限值(112.2 MPa)，最大薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力為153.8 MPa，小于應(yīng)力限值(168.3 MPa)，強(qiáng)度滿足要求。事故工況下，柴油機(jī)相關(guān)部件的應(yīng)力評定結(jié)果見表10、表11，各部件強(qiáng)度均滿足要求。

表10 柴油機(jī)部件應(yīng)力評定

表11 柴油機(jī)線型結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力評定

螺栓受力通過提取約束反力得到，并考慮螺栓預(yù)緊力，然后計(jì)算螺栓的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。事故工況下，發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)、隔振器的安裝螺栓的應(yīng)力評定結(jié)果見表12，各螺栓強(qiáng)度滿足要求。

表12 螺栓應(yīng)力評定

5.4 位移評定

為驗(yàn)證機(jī)組的可運(yùn)行性，需要對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的變形進(jìn)行校核?？紤]最嚴(yán)格的載荷條件，即地震事故與發(fā)電機(jī)短路故障同時(shí)發(fā)生。此時(shí)，發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間的最大相對位移為0.737 mm，小于許用值(0.77 mm)，滿足可運(yùn)行性要求，發(fā)電機(jī)能夠維持正常運(yùn)行。

6 結(jié)語

應(yīng)用有限元法對某核電廠SBO柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行抗震分析，依據(jù)RCC-M規(guī)范的要求對機(jī)組的主要部件(發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)、公共底架)及主要承載螺栓進(jìn)行應(yīng)力評定，并對發(fā)電機(jī)軸的變形進(jìn)行校核。在正常工況和事故工況下，機(jī)組各部件和螺栓的應(yīng)力小于許用值，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子之間的最大相對位移小于許用值。因此，柴油發(fā)電機(jī)組在正常工況和事故工況下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。所提出的分析方法對核電廠設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震安全評估有一定的參考價(jià)值。