HTR-PM輸送轉(zhuǎn)換裝置抗震分析及支撐設(shè)計(jì)與校核

張喆玉 袁朝龍 張海泉 聶君鋒

1（清華大學(xué)機(jī)械工程系 先進(jìn)成型教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

2（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院 北京 100084）

燃料裝卸系統(tǒng)是 HTR-PM 中的關(guān)鍵系統(tǒng)之一[1]，一旦發(fā)生泄漏或損壞，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)甚至核電站的安全運(yùn)行。燃料球在裝卸系統(tǒng)內(nèi)主要是通過(guò)重力作用實(shí)現(xiàn)自上而下的運(yùn)行[2,3]，為使燃料球能依靠重力自行向下滾動(dòng)，同時(shí)又不會(huì)因運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快與彎頭等處碰撞產(chǎn)生破損，燃料球下行管道和管道上的設(shè)備都按照一定的角度傾斜放置。

燃料球輸送轉(zhuǎn)換裝置是裝卸系統(tǒng)的重要組成部分，其位于反應(yīng)堆堆芯的正下方，由5個(gè)傾斜放置的大偏心距重型設(shè)備和連接管道構(gòu)成，起著將卸料管內(nèi)卸出的燃料球分配到不同管道中的作用。轉(zhuǎn)向裝置不僅是反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)燃料裝卸系統(tǒng)正常工作的重要保證，還能在管道產(chǎn)生破裂或其中一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障無(wú)法工作等事故工況下，及時(shí)讓燃料球改向，避開(kāi)故障路線，保證反應(yīng)堆的繼續(xù)運(yùn)行。由于裝置中包含的設(shè)備質(zhì)量較重，且相對(duì)于管道有較大的偏心距，當(dāng)支撐的剛度不夠時(shí)，設(shè)備極易在地震時(shí)發(fā)生傾覆，將管道扭斷，造成嚴(yán)重后果，但過(guò)高的剛度又會(huì)限制管道的熱脹。燃料球剛從堆芯卸出，所帶的高熱量會(huì)使轉(zhuǎn)向裝置溫度太高，過(guò)于限制管道熱脹也同樣會(huì)因二次應(yīng)力過(guò)大引起管道的破壞，這樣的矛盾為轉(zhuǎn)向裝置支撐的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的技術(shù)難度。

通過(guò)數(shù)值模擬方法，針對(duì)轉(zhuǎn)換裝置特殊的空間傾斜布置方式，根據(jù)抗震分析計(jì)算結(jié)果，提出了壓板形式的支撐方案，并對(duì)依據(jù)所選方案設(shè)計(jì)出的支撐架進(jìn)行了受力校核。

1 抗震分析

1.1 裝置計(jì)算模型

燃料球轉(zhuǎn)向裝置包含5個(gè)外形基本相同的重型設(shè)備及中間相連的管道，設(shè)備所在的平面與水平面間傾角為30°。每個(gè)設(shè)備都由300 mm高的箱體底座和600 mm高的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，大部分重量集中在設(shè)備中下部，具體形式見(jiàn)圖 1(a)。設(shè)備重心到管道中心距離~250 mm，超過(guò)了管道外徑的1.5倍，需計(jì)入偏心影響[4]。

裝置運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備所受管道的推力通過(guò)專業(yè)的管應(yīng)力計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，考慮到裝置的簡(jiǎn)化模型要符合實(shí)際設(shè)備大偏心距的情況，通過(guò)以下三個(gè)步驟對(duì)其建模：(1) 管道中對(duì)應(yīng)位置處建入與實(shí)際設(shè)備大小相等的普通三通、四通閥門(mén)，將其質(zhì)量設(shè)為0 kg；(2) 設(shè)備重心處設(shè)一個(gè)質(zhì)量與設(shè)備質(zhì)量相同的質(zhì)點(diǎn)；(3) 設(shè)置一根長(zhǎng)度為250 mm的無(wú)質(zhì)量剛性桿將質(zhì)點(diǎn)和設(shè)備連接起來(lái)，具體模型見(jiàn)圖1(b)。

圖1 系統(tǒng)三維模型(a)和管應(yīng)力計(jì)算模型(b)Fig.1 3D model of devices (a) and pipe stress calculation model (b).

1.2 載荷數(shù)據(jù)

燃料球轉(zhuǎn)向裝置為抗震Ⅲ類，抗震分析方法采用樓層反應(yīng)譜法。為保證整個(gè)燃料裝卸系統(tǒng)在極限工況下的運(yùn)行安全性，對(duì)其中的轉(zhuǎn)向裝置也考慮運(yùn)行極限地震SSE的作用，根據(jù)規(guī)范要求[4]，將支承處對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜附加到支撐處。由于樓層反應(yīng)譜中加速度隨樓層的高度增大，因此部分支撐的標(biāo)高處于兩個(gè)樓層標(biāo)高之間時(shí)，出于保守考慮選擇高標(biāo)高樓層的反應(yīng)譜。最后參考系統(tǒng)的自振頻率，抗震分析的阻尼比選擇2%。

將裝置的計(jì)算模型放入整個(gè)管道系統(tǒng)中，加上初步支撐，利用管道應(yīng)力軟件ROHR2進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)的工作載荷見(jiàn)表1。

1.3 支撐方案優(yōu)化

轉(zhuǎn)向裝置的初步支撐有以下兩個(gè)方案：一是在裝置沿傾斜面方向的上下兩端管道上加導(dǎo)向支架，設(shè)備只依靠?jī)A斜面板支撐。這種支撐方式可使裝置系統(tǒng)只沿圖1(b)中6點(diǎn)到1點(diǎn)間管道的軸向方向運(yùn)動(dòng)，限制地震工況下設(shè)備的左右晃動(dòng)和傾覆，同時(shí)放開(kāi)了熱脹位移最大的方向，防止二次應(yīng)力會(huì)超出規(guī)范[5]；二是不對(duì)管道約束，只對(duì)5個(gè)設(shè)備采用壓板約束。為計(jì)算方便，設(shè)備處采用局部坐標(biāo)系，圖1(b)中，以設(shè)備中心與質(zhì)點(diǎn)的連接桿作為 Y軸，向下為正方向，以6點(diǎn)到1點(diǎn)的方向?yàn)閄軸正方向。壓板支撐只限制設(shè)備Y方向的位移和繞X、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種支撐方式允許管道自由熱脹伸長(zhǎng)，同時(shí)也可防止設(shè)備傾覆。將兩種初步支撐方式建入管道模型中進(jìn)行計(jì)算。

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作載荷Table 1 Working load of the transport and conversion devices.

表2 支撐方案應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Stress calculation results of the two support schemes(%).

從表2看出，方案1中熱脹引起的二次應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)，根據(jù)熱脹位移分析結(jié)果，這主要是由于溫度過(guò)高，管道熱脹明顯，而對(duì)角設(shè)備中間連接是直管，管道和設(shè)備沿Z軸方向的熱膨脹被約束且無(wú)法被吸收，因此二次應(yīng)力過(guò)大。方案二中管道系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)力都滿足規(guī)范要求，根據(jù)支撐形式的多次調(diào)整嘗試和管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用壓板約束。計(jì)算得到設(shè)備在各工況下的最大位移及設(shè)備對(duì)支撐產(chǎn)生的最大力和力矩，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 設(shè)備最大位移及對(duì)支撐的最大力和力矩Table 3 Maximum displacement of devices and maximum force and moment of supports.

2 支撐設(shè)計(jì)與受力

2.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備支撐的限制條件和軟件計(jì)算結(jié)果，支撐形式如下：壓板支撐的高度是 301 mm，壓板與設(shè)備箱體之間留1 mm空間，允許設(shè)備在支撐面上受熱脹作用時(shí)自由移動(dòng)。板上中間圓孔的半徑是轉(zhuǎn)子半徑再加上9 mm的余量，保證即使發(fā)生最大位移，設(shè)備在傾斜支撐面上的平面運(yùn)動(dòng)不受影響，避免了二次應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的管道破壞。具體形式和裝配方式見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備支撐形式與裝配Fig.2 Support system and assembly of devices.

地震時(shí)，通過(guò)四根 M16螺栓與支撐板連接的10 mm厚鋼制壓板可防止設(shè)備傾覆，以免造成設(shè)備連接管道扭斷產(chǎn)生破壞。

2.2 底部?jī)A斜支撐板模型校核

壓板支撐的校核計(jì)算采用 Solidworks軟件建模，再使用有限元分析插件(Solidworks Simulation)做支撐架的受力模擬分析[6]。為簡(jiǎn)化模型，將模型分為下部的傾斜支撐板和5個(gè)壓板分別校核。

整體支撐的應(yīng)用材料按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[8]規(guī)定，承重結(jié)構(gòu)宜采用Q235、Q345、Q390和Q420等鋼。設(shè)計(jì)中型鋼和鋼板均采用Q235鋼。螺柱、螺母結(jié)構(gòu)采用45鋼材料。

2.2.1 模型參數(shù)設(shè)置

邊界條件：底部支撐板前排的 f、h、g、m、n的腿部底面通過(guò)焊接與地面連接，后排的a、b、c、d、e的腿部背面整體與大型鋼架焊接在一起，因此將這些連接面看成固定點(diǎn)。

施加載荷：底部支撐板所受載荷主要是設(shè)備垂直傾斜面向下的壓力和設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力矩通過(guò)螺栓對(duì)支撐板產(chǎn)生的作用。因此將設(shè)備與傾斜支撐板的接觸面作為壓力的作用面，支撐板下表面與固定螺母的接觸面作為力矩對(duì)支撐板的作用面，更符合實(shí)際情況，將力矩位置定為設(shè)備的重心處。具體載荷作用和支撐面受力面見(jiàn)圖3。圖3左下角是壓力的作用方式及力矩的位置，右上角是力矩作用面的示意圖。

圖3 支撐板受力情況Fig.3 Stress state of the support plate.

2.2.2 計(jì)算結(jié)果及校核

傾斜支撐板的應(yīng)力和位移云圖見(jiàn)圖 4。工程中為保證安全，認(rèn)為材料所受的最大應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)許用應(yīng)力的80%。圖4中支撐板最大應(yīng)力為98.1 MPa，遠(yuǎn)小于Q235鋼許用應(yīng)力的80%。支撐板的最大位移為0.662 mm，滿足剛度要求。

圖4 支撐板應(yīng)力(a)和位移(b)云圖Fig.4 Stress fringe (a) and displacement fringe (b) of the support plate.

2.3 螺栓及壓板模型校核

2.3.1 模型參數(shù)設(shè)置

邊界條件：壓板通過(guò)螺栓螺母與底部?jī)A斜支撐板連接固定，因此將螺栓與支撐面下表面螺母的接觸面上施加固定支撐。同時(shí)，考慮到傾斜支撐板受力有一定的彎曲變形，使螺栓根部產(chǎn)生垂直板面向下的位移，在每個(gè)固定點(diǎn)上附加相應(yīng)的位移量。

施加載荷：壓板結(jié)構(gòu)只受到力矩對(duì)其產(chǎn)生的影響，因此在設(shè)備重心處施加力矩，作用面為設(shè)備與壓板的接觸面，見(jiàn)圖5。

圖5 壓板受力情況Fig.5 Force situation of the pressure plate.

2.3.2 計(jì)算結(jié)果及校核

計(jì)算得到5個(gè)壓板支撐的最大應(yīng)力與最大位移見(jiàn)表 4，其中最大應(yīng)力都集中在螺栓與壓板的結(jié)合面附近，最大位移在壓板的邊角附近。螺栓主要受到設(shè)備力矩作用于壓板時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的拉力和剪力。

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓》[9]和《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺母》[10]規(guī)定，模型所選的承壓型高強(qiáng)度螺栓最大抗拉強(qiáng)度為 400 MPa，最大抗剪強(qiáng)度為250 MPa，表4中的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表4 壓板支撐最大應(yīng)力與位移Table 4 Maximum stress and displacement of pressure plates.

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 在HTR-PM中上百公斤的大型設(shè)備和閥門(mén)由于其空間布置傾斜，偏心距超過(guò)了管道外徑 1.5倍，且處于高溫高壓工況下，設(shè)計(jì)設(shè)備支撐時(shí)會(huì)存在同時(shí)要滿足剛度和柔性要求的矛盾。

(2) 管應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于《規(guī)范》[4]要求計(jì)入偏心距影響的設(shè)備，質(zhì)量為m0，長(zhǎng)度為l0，偏心距為l1，可采用如下方式建模：1) 在管道相應(yīng)位置設(shè)置質(zhì)量為0 kg、長(zhǎng)度為l0的閥門(mén)；2) 在設(shè)備重心處設(shè)置質(zhì)量為m0的質(zhì)點(diǎn)；3) 采用質(zhì)量為0 kg、長(zhǎng)度為l1剛性桿將質(zhì)點(diǎn)和閥門(mén)模型中心連接。

(3) 針對(duì)傾斜放置且偏心距較大的設(shè)備和閥門(mén)，將壓板約束形式應(yīng)用于抗震支撐設(shè)計(jì)上，能有效防止設(shè)備晃動(dòng)，滿足抗震要求。

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5 美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì). ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范: 第III卷, 第一冊(cè), ND分卷[S]. 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2004 American Society of Mechanical Engineers, Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components.Division 3-Subsection ND[S]. Shanghai Science and Technology Literature Press, 2004

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8 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T 1591-2008)[S]. 2006 Standardization Administration of China. High strength low alloy structural steel (GB/T 1591-2008)[S]. 2006

9 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓(GB/T 1228-2006)[S]. 2006 Standardization Administration of China. Large hexagon head bolts with high strength for steel structure (GB/T 1228-2006)[S]. 2006

10 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺母(GB/T 1229-2006)[S]. 2006 Standardization Administration of China. Large hexagon nuts with high strength for steel structure (GB/T 1229-2006)[S]. 2006