基于有限元法的核電站余熱導(dǎo)出泵泵體抗震分析

嚴(yán)建華，盛絳，滕國榮，朱連幫，歐鳴雄，2

（1.江蘇雙達(dá)泵閥集團有限公司，江蘇 靖江 214537；2.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

目前，在能源需求增長和溫室效應(yīng)的壓力下，核能作為一種經(jīng)濟、高效和技術(shù)成熟的清潔能源技術(shù)，已成為各國重視的能源產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)國家《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）》的要求，在2020 年之前，國內(nèi)核電總裝機容量將達(dá)到7500 萬kW，在建容量達(dá)3000 萬kW，在經(jīng)歷了較為漫長的低速發(fā)展期后，我國核電的產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展的春天［1］。

余熱導(dǎo)出泵是百萬千瓦級壓水堆核電機組中重要的核安全二級泵，是壓水堆核電機組核島內(nèi)余熱排出回路中的核心能動設(shè)備，作為同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中技術(shù)難度最大、安全級別最高的核級泵產(chǎn)品之一，余熱導(dǎo)出泵機組屬于國家重大技術(shù)裝備產(chǎn)品［2］。余熱導(dǎo)出泵機組的抗震性能是衡量其運行可靠性的重要指標(biāo)，本文以余熱導(dǎo)出泵的泵體抗震強度為研究目標(biāo)，采用三維建模和有限元方法針對其在不同地震載荷工況下的應(yīng)力情況進行詳細(xì)分析，對泵體部件的強度進行校核，為結(jié)構(gòu)強度薄弱處的進一步優(yōu)化提供參考。

1 泵體載荷和分析方法

1.1 余熱導(dǎo)出泵泵體載荷

根據(jù)余熱導(dǎo)出泵機組的設(shè)計規(guī)格書要求，作為機組主承壓件的泵體部件要承受的載荷包括自重、內(nèi)壓、溫度、地震載荷和管口載荷，具體數(shù)值由機組的運行工況特性決定，其中泵體部件的設(shè)計壓力為4.8 MPa，設(shè)計溫度為180 ℃。

根據(jù)余熱導(dǎo)出泵的地震載荷響應(yīng)譜曲線，地震載荷包括運行基準(zhǔn)地震載荷（OBE）和安全停堆地震載荷（SSE），其具體數(shù)值如表1 所示。

1.2 抗震分析方法

通過針對余熱導(dǎo)出泵進行抗震分析，可以了解其在地震載荷工況下的結(jié)構(gòu)變形及受力情況，確保該設(shè)備能夠完成其擔(dān)負(fù)的設(shè)計功能。目前，核電產(chǎn)品的抗震分析方法包括等效靜力法、響應(yīng)譜法和動力分析法3 種，具體方法的選擇則考慮分析對象的特性和產(chǎn)品的設(shè)計要求。

本文研究的余熱導(dǎo)出泵機組的結(jié)構(gòu)剛度非常大,固有頻率非常高，根據(jù)核電產(chǎn)品抗震分析指南的要求，該設(shè)備適用于采用等效靜力法進行分析［3］。

2 泵體部件建模

2.1 三維實體模型

表1 地震載荷表

余熱導(dǎo)出泵的泵體部件具有較為復(fù)雜的型面結(jié)構(gòu)，作為機組的主承壓件，其殼體壁面設(shè)計較厚，本文采用三維造型軟件Pro/E 建立其復(fù)雜的三維實體模型。根據(jù)泵體的結(jié)構(gòu)特征和去耦分析原則，建立的泵體三維實體模型如圖1 所示。

圖1 余熱導(dǎo)出泵泵體三維實體模型

2.2 有限元分析模型

良好的有限元分析模型是獲得準(zhǔn)確分析結(jié)果的基礎(chǔ)，在三維實體建模的基礎(chǔ)上，本文采用ANSYS Workbench 軟件對泵體三維實體模型進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，通過測試分析進行網(wǎng)格質(zhì)量考察，網(wǎng)格質(zhì)量良好［4］。

根據(jù)該泵的安裝固定情況，在泵體有限元模型的支撐螺孔處施加固定約束。根據(jù)泵體材料確定有限元模型的材料特性參數(shù)：密度為7.8×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為1.93×1011Pa。

3 結(jié)果分析及評定

3.1 抗震分析結(jié)果

按照上述有限元模型及邊界條件，針對泵體的OBE和SSE 載荷工況進行了抗震力學(xué)分析，獲得泵體部件在相應(yīng)載荷工況下的應(yīng)力分布情況如圖2～圖5 所示。

3.2 泵體強度評定

圖2 泵體應(yīng)力分布（OBE）

圖3 泵體應(yīng)力剖面圖（OBE）

圖4 泵體應(yīng)力分布（SSE）

圖5 泵體應(yīng)力剖面圖（SSE）

以泵體的應(yīng)力分布為基礎(chǔ)，根據(jù)相應(yīng)的核電設(shè)備應(yīng)力強度評定準(zhǔn)則對其可靠性進行評定，泵體的抗震分析應(yīng)力評定結(jié)果如表2 所示［5］。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述不同載荷工況下的泵體應(yīng)力評定結(jié)果可知，該泵體在OBE 和SSE 載荷工況下的應(yīng)力值均較小，其最大應(yīng)力主要分布在進口法蘭及內(nèi)壁拐角處，還可進行一定的優(yōu)化。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足余熱導(dǎo)出泵機組抗震強度要求，該分析結(jié)果也驗證了該泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

表2 泵體強度評定表 MPa

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

［2］ 孫昌基，許連義.AP100 主要核島設(shè)備國產(chǎn)化［J］.發(fā)電設(shè)備,2007（4）：249-251.

［3］ 許文本，焦群英.機械振動與模態(tài)分析基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［4］ 李至昭，姚大坤.300MW 核電站冷卻劑泵電動機轉(zhuǎn)子振動分析［J］.大電機技術(shù)，2001（3）：18-20.

［5］ 周文霞，張繼革.核電站主泵機組地震響應(yīng)譜分析及應(yīng)力評定［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2011，45（1）：54-59.