AP1000核電站海水循環(huán)泵可運行性分析

歐鳴雄1，2，嚴建華2，盛 絳2，施衛(wèi)東1，滕國榮2

（1.江蘇大學 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省特種化工泵工程技術(shù)研究中心，江蘇 靖江 214500）

AP1000核電站海水循環(huán)泵可運行性分析

歐鳴雄1，2，嚴建華2，盛 絳2，施衛(wèi)東1，滕國榮2

（1.江蘇大學 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省特種化工泵工程技術(shù)研究中心，江蘇 靖江 214500）

建立了AP1000立式循環(huán)泵機組的整機有限元模型，采用響應譜法針對循環(huán)泵在設計地震載荷工況下的強度及其動、靜部件的變形位移進行了分析，并對該泵在設計地震載荷工況下的結(jié)構(gòu)完整性和可運行性進行了評估。分析結(jié)果顯示，該泵的1階橫向彎曲振動頻率為14.4Hz，在單位水平激勵載荷下，其前4階振型在模型中的有效質(zhì)量分數(shù)達0.94。在設計地震載荷工況下，作為主承壓部件的泵體最大組合應力為203MPa，葉輪室段殼體最大變形位移不超過1.5mm，轉(zhuǎn)子部件最大組合應力為1.7MPa，最大變形位移為0.8mm，該系列響應值均在循環(huán)泵設計允許范圍內(nèi)，分析結(jié)果顯示該泵能滿足結(jié)構(gòu)完整性和可運行性的要求。

核電站；地震載荷；泵；有限元分析；可運行性

大型立式海水循環(huán)泵是AP1000核電站外圍凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)的核心設備，凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)作為核電站冷卻系統(tǒng)的重要部分，主要為汽輪機房凝汽器和閉式冷卻水回路熱交換器等提供冷卻服務，該循環(huán)泵設備的穩(wěn)定運行是整個核電機組的正常連續(xù)運行的重要保障。作為國內(nèi)最新引進的第3代壓水堆核電機組，AP1000核電站通過采用安全系統(tǒng)非能動理念簡化了以往壓水堆核電站的安全系統(tǒng)配置，大幅降低泵、閥等產(chǎn)品的數(shù)量，并提高了機組的經(jīng)濟性、安全性及運行壽命，其已成為未來我國核電建設的主要堆型［1］。與以往國內(nèi)二代加核電站所采用的混凝土蝸殼海水循環(huán)泵相比，AP1000核電站所采用的立式循環(huán)泵減少了相關(guān)的土建、施工及檢修成本，更適宜于系統(tǒng)參數(shù)配置及經(jīng)濟性［2］。作為AP1000核電站國產(chǎn)化進程的重要設備之一，該大型立式循環(huán)泵已成為國內(nèi)核電泵行業(yè)的重要研發(fā)項目。

國內(nèi)外專家在核電設備的可運行性等方面已進行了大量的研究［3-5］，但針對立式循環(huán)水泵的研究鮮有文獻報道。根據(jù)山東海陽在建AP1000核電站采用的設計參數(shù)，其單臺循環(huán)泵的設計流量達21m3／s，功率4 000kW，該參數(shù)遠高于以往的電廠、泵站等領(lǐng)域所采用的循環(huán)泵產(chǎn)品。同時其可靠性及壽命要求均明顯提高，尤其對于該泵在地震沖擊載荷下的設備響應和可運行性，對整個核電機組的正常穩(wěn)定運行具有重要意義，也是其產(chǎn)品研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。

1 循環(huán)泵型式及有限元模型

目前，國內(nèi)AP1000核電站均采用雙基礎的立式混流循環(huán)泵型式，電機與泵體分別固定在泵房內(nèi)的上、下層基礎上，轉(zhuǎn)子部件與電機主軸剛性直聯(lián)，出口彎管從上、下層基礎之間伸出，主要結(jié)構(gòu)部件包括：進水流道、葉輪、導葉體、泵體、套管、泵軸、聯(lián)軸器和電機等，具體結(jié)構(gòu)示于圖1。

圖1 立式循環(huán)泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vertical circulation pump

每臺AP1000機組采用3臺并列運行的立式循環(huán)泵，單臺循環(huán)泵的設計流量為21m3／s，設計點揚程為12m，最大流量達26m3／s，電機功率為4 000kW。該泵采用斜流式葉輪模型，后置導葉體結(jié)構(gòu)，泵體為不銹鋼薄壁筒體結(jié)構(gòu)，各段薄壁筒體之間采用焊接或緊固螺絲聯(lián)接。由葉輪、泵軸、剛性聯(lián)軸器和電機主軸等組成的轉(zhuǎn)子部件為可抽取式結(jié)構(gòu)，并在泵軸段通過套管實現(xiàn)干式結(jié)構(gòu)設計，整個轉(zhuǎn)子部件保持剛性聯(lián)接，葉輪軸向載荷由電機內(nèi)部的推力軸承承擔，并通過泵體內(nèi)的上、下兩端水潤滑導軸承對其進行橫向支承。

1.2 整機有限元模型

采用有限元軟件ANSYS進行立式循環(huán)泵的可運行性分析，該泵可運行性分析的重點包括其主承壓件泵體和轉(zhuǎn)子部件兩部分。泵體結(jié)構(gòu)采用殼單元進行建模，而整體剛性聯(lián)接的轉(zhuǎn)子部件則采用三維梁單元進行建模，約束泵軸橫向位移的水潤滑導軸承采用彈性阻尼單元進行模擬，而對于導葉體、彎管等泵體附屬部件，依據(jù)以往分析經(jīng)驗及耦聯(lián)規(guī)范要求［6］，使用質(zhì)量元單位進行模擬。由于電機的結(jié)構(gòu)較為復雜，因此基于簡化模型考慮，該處采取保守處理，在整體模型中忽略電機結(jié)構(gòu)部分，將轉(zhuǎn)子部件在電機內(nèi)部的軸承約束作為直接約束處理。由此得到的整機有限元模型示于圖2。

圖2 循環(huán)泵整機有限元模型Fig.2 Finite element model of circulation pump

2 模態(tài)特性分析及討論

2.1 模態(tài)特性分析

根據(jù)以往分析經(jīng)驗和規(guī)范要求，針對循環(huán)泵整機模型的前12階模態(tài)和振型進行分析求解，得到的各階模態(tài)頻率列于表1。

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

模型前2階振型均以泵體的橫向彎曲振動為主，3、4階振型為轉(zhuǎn)子部件的橫向彎曲振動，高階振型中包含有部分局部振型，均集中在泵體進口的喇叭管和出口彎管段，顯示該泵體結(jié)構(gòu)的局部薄弱處。整機模型的前2階振型如圖3所示。

由上文可知，在畜牧業(yè)生產(chǎn)中，因種種因素，為大氣、水體、土壤等均帶來了嚴重污染，影響了畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對此，采用有效措施，積極解決污染問題，成為推動畜牧業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。

圖3 泵體1（a）、2（b）階振型Fig.3 The 1st（a）and 2nd（b）order mode shapes of pump case

2.2 結(jié)果討論

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，循環(huán)泵模型的前4階振型頻率均在地震載荷響應譜范圍內(nèi)，其中前2階振型主要以安裝基礎以下的泵體部分沿水平x、y方向的橫向彎曲變形為主，3、4階振型也分別以轉(zhuǎn)子部件在相同方向的橫向彎曲變形為主。

通過在水平面內(nèi)x、y方向?qū)δＰ褪┘訂挝患钶d荷確定的各振型參與系數(shù)和有效質(zhì)量分數(shù)列于表2。由表2可知，在承受同方向的水平單位激勵載荷時，結(jié)構(gòu)響應的主要參與系數(shù)和有效質(zhì)量分數(shù)均集中在前4階振型內(nèi)，其有效質(zhì)量占全部有效質(zhì)量的0.94，參與系數(shù)也遠大于其他振型。由此可判斷，在地震沖擊載荷下，該循環(huán)泵結(jié)構(gòu)模型的水平變形位移主要由其前4階的低階振型位移響應組成。

表2 參與系數(shù)和有效質(zhì)量分數(shù)Table 2 Participation coefficient and effective mass fraction

3 地震響應分析及討論

3.1 設計地震響應譜

根據(jù)設備地震響應分析規(guī)范及標準的要求，采用在RG1.60標準譜基礎上修正的AP1000設計地震響應譜（安全停堆地震譜）作為立式循環(huán)泵的設計地震載荷。響應譜包括水平方向的x、y和豎直z軸在內(nèi)的3個方向，其采用的水平地面峰值加速度為0.3g，豎直地面峰值加速度為0.2g［7］，均大于國內(nèi)以往電站的相應地震峰值加速度，臨界阻尼系數(shù)為4%［8］。該曲線包絡了以往國內(nèi)秦山、大亞灣電站相應設備的設計響應譜曲線，因此具有較大的設計裕度值［9］，其響應譜曲線如圖4所示。

圖4 設計響應譜曲線Fig.4 Design response spectrum curve

3.2 模態(tài)疊加法響應譜分析理論

為準確獲得立式循環(huán)泵結(jié)構(gòu)在設計地震載荷下的響應情況，通過模態(tài)疊加法響應譜分析對結(jié)構(gòu)最大位移響應進行求解。通過這種基于線性系統(tǒng)的模態(tài)疊加法，將單自由度的模態(tài)方程解組合來解決多自由度的動力響應問題，其基本運動矩陣方程為：

式中：［M］為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；［C］為系統(tǒng)黏度矩陣；［K］為剛度矩陣；［F］為外部載荷的矢量矩陣；［x］為位移向量；［x′］為速度向量；［x″］為加速度向量。

針對系統(tǒng)的基本運動微分方程，利用模態(tài)分析結(jié)果，通過矩陣變換將位移向量解出，代入基本運動微分方程，從而獲得單獨模態(tài)條件下的微分變換方程，并獲得其位移向量解，其微分變換方程為：

式中：［η］為位移向量變換矩陣；δ為模態(tài)臨界阻尼比；ω為固有頻率；［σ］為模態(tài)相關(guān)矩陣，通過微分方程得出各模態(tài)下的位移向量解［10］。

以此方法分別針對各模態(tài)方程進行求解，并按分析規(guī)范的要求，使用SRSS組合方式合成得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合響應值，即：

式中：RT為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)點的組合響應值；Rij為節(jié)點在模態(tài)i方向j下的響應值；n為分析所采用的模態(tài)疊加總數(shù)。

3.3 設計地震載荷工況分析

根據(jù)設備分析規(guī)范要求，在設計地震載荷工況下，該立式循環(huán)泵所承受的載荷組合與應力評定準則列于表3。

表3 載荷組合及應力評定標準Table 3 Load combination and stress acceptance criteria

按表3所列載荷組合要求，針對同時承受設計內(nèi)壓、自重、設計地震載荷下的循環(huán)泵整機模型進行分析，得到循環(huán)泵在設計地震載荷工況下的各最大組合應力及變形位移。泵體部件的最大薄膜應力為199MPa，最大薄膜＋彎曲應力為203MPa，最大變形位移為2.4mm，其中在靠近葉輪附近的泵殼（葉輪室）段最大變形位移不超過1.5mm。轉(zhuǎn)子部件在地震載荷沖擊下的最大薄膜＋彎曲應力值為1.7MPa，最大應力位于電機向心軸承下端的電機軸端，轉(zhuǎn)子部件最大變形位移為0.8mm，變形位于泵軸最下端節(jié)點處。泵體葉輪室段及轉(zhuǎn)子部件的主要變形位移均分布在水平面內(nèi)的x、y方向，其中泵體部件薄膜應力及位移分布示于圖5。

圖5 泵體薄膜應力（a）和變形位移（b）分布Fig.5 Membrane stress（a）and displacement（b）distributions of pump case

4 結(jié)果評定及討論

根據(jù)表3的應力評定準則和結(jié)構(gòu)設計允許值對循環(huán)泵在設計地震載荷工況下的分析結(jié)果進行評估，泵體最大組合應力及變形位移評定列于表4。

表4 泵體分析結(jié)果評定Table 4 Result assess of pump case

轉(zhuǎn)子部件在設計地震載荷下的最大應力約為1.7MPa，該值遠小于泵軸可靠性設計的允許值。此外，葉輪與泵體葉輪室段為動靜轉(zhuǎn)子易發(fā)生刮擦位置，而該處泵體與轉(zhuǎn)子部件變形位移之和不超過2.3mm，小于設計允許值5m?？紤]實際工況下該泵體內(nèi)、外所存在的水體對機組模型阻尼和自振頻率的影響以及水體阻尼對地震能量的耗散效應，該泵機組的實際應力和變形位移應小于上述模型分析值，綜上所述，判定該循環(huán)泵能滿足結(jié)構(gòu)完整性與可運行性的要求。

5 結(jié)論

1）根據(jù)結(jié)果評定可知，該立式循環(huán)泵能滿足設計地震載荷工況下的結(jié)構(gòu)完整性及可運行性要求。

2）水平方向的地震沖擊是影響循環(huán)泵結(jié)構(gòu)響應的主要載荷因素，而整機模型的前4階振型則是影響其結(jié)構(gòu)響應的主要模態(tài)因素。因此，增加循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)剛度與改進低階振型是進一步提高其抗震性能的主要措施。

3）以轉(zhuǎn)子部件橫向彎曲振動為主的3、4階振型在整機模型中的有效質(zhì)量分數(shù)接近0.1，且其振型變形方向位于水平地震載荷沖擊平面內(nèi)，因此在針對循環(huán)泵的動態(tài)響應分析中，應考慮轉(zhuǎn)子質(zhì)量因素的影響。

［1］ 歐陽予，汪達升.國際核能應用及其前景展望與我國核電的發(fā)展［J］.華北電力大學學報，2007， 34（5）：1-10.

OUYANG Yu，WANG Dasheng.International nuclear power application and it’s prospect forecast and our country nuclear electricity development［J］.Journal of North China Electric Power University，2007，34（5）：1-10（in Chinese）.

［2］ 徐智淵，程亮.AP1000核電循環(huán)水泵選型及配置分析［J］.機電工程技術(shù)，2012，41（2）：75-79.

XU Zhiyuan，CHENG Liang.Analysis of circulation pump selection and configuration of AP1000nuclear power plant［J］.Mechanical ＆Electrical Engineering Technology，2012，41（2）：75-79（in Chinese）.

［3］ BIRKHOFER A.Seismic design of nuclear facility in Germany［J］.Nuclear Engineering and Design，1997，172（6）：247-260.

［4］ SHAO Jianhua，SHEN Yongkang.Seismic performance evaluation of steel frame-steel shear wall system based on the capacity spectrum method［J］.Journal of Zhejiang University Science A，2008，9（3）：45-49.

［5］ 周文建，陳宏，聞邦椿.核電站反應堆冷卻劑泵的地震響應分析［J］.振動與沖擊，2006，25（1）：32-35.

ZHOU Wenjian，CHEN Hong，WEN Bangchun.Seismic response analysis of reactor coolant pump in nuclear power plant［J］.Journal of Vibration and Shock，2006，25（1）：32-35（in Chinese）.

［6］ 國家核安全局.HAD102／02 核電廠的抗震設計與鑒定［S］.北京：國家核安全局，1996.

［7］ US NRC.Regulatory guide 1.60 Design response spectra for seismic design of nuclear power plants［S］.Washington D.C.：US NRC，1973.

［8］ US NRC.Regulatory guide 1.61 Damping values for seismic design of nuclear power plants［S］.Washington D.C.：US NRC，2007.

［9］ 李忠誠，楊孟嘉.AP1000抗震分析與設計特點研究［J］.世界地震工程，2008，24（1）：137-142.

LI Zhongcheng，YANG Mengjia.Study on the major characteristics of seismic analysis and design of AP1000［J］.World Earthquake Engineering，2008，24（1）：137-142（in Chinese）.

［10］王文亮，張文，羅惟德，等.結(jié)構(gòu)動力學［M］.上海：復旦大學出版社，1993.

Operability Analysis of Sea Water Circulation Pump in AP1000 PWR

OU Ming-xiong1，2，YAN Jian-hua2，SHENG Jiang2，SHI Wei-dong1，TENG Guo-rong2
（1.Research Centre of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang212013，China；2.Technical and Research Center of Special Chemical Pump，Jingjiang214500，China）

The integrated definite element model of vertical circulation pump assembles in AP1000was built.The static analysis and response spectrum analysis were used for normal design condition and design earthquake condition respectively，and the integrality and operability of pump were evaluated through strength and displacement analysis.The results demonstrate that the 1st lateral natural frequency of the pump is 14.4Hz，and the first 4vibration mode shapes consist of an effective mass ratio of 0.94 in the model under a horizontal excitation load.At the design seismic load condition，the max combination stress of pump case as the main pressure-bearing container is 203MPa，the max displacement in impeller case is 1.5mm，the max combination stress of motor assemble is 1.7MPa，and the max displacement of motor assemble is 0.8mm，all these results are allowable in design.The analysis results demonstrate that the integrality and operability demands of pump are met in this design.

nuclear power plant；seismic load；pump；finite element analysis；operability

TH313

A

1000-6931（2014）02-0305-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0305

2012-12-07；

2012-12-27

國家科技支撐計劃資助項目（2011BAF14B01）

歐鳴雄（1983—），男，湖南懷化人，博士研究生，流體機械及工程專業(yè)