某核電汽輪機及其彈簧基礎(chǔ)的抗震性能分析

胡志強，徐嗣華，王 威

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院土木工程系，上海 200240;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，對傳統(tǒng)能源的過度開發(fā)和粗放利用使得我國面臨日益嚴(yán)峻的能源危機。一方面，能源面臨短缺，環(huán)境污染問題嚴(yán)重，而太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿染G色新能源因技術(shù)仍在繼續(xù)完善、成本過高而未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化;另一方面，生產(chǎn)和生活的用電需求仍在增長，每年全國仍有相當(dāng)數(shù)量的地區(qū)需要在高峰期進行拉閘限電。在這種情況下，核電作為一種清潔、穩(wěn)定，并有助減緩氣候變化影響，且已有相當(dāng)成熟的技術(shù)及經(jīng)驗的能源利用方式，再一次迎來了發(fā)展高峰，我國也提出了“積極發(fā)展核電”的政策。2011年日本地震引發(fā)的福島核泄漏事件引發(fā)了社會對核電的質(zhì)疑、抗拒和不理解，但政府仍沒有改變建造核電的初衷，只是態(tài)度更加審慎。鑒于核電的重要性以及人們對核電意外事故的恐慌，建設(shè)更加安全、可靠的核電顯得尤為重要。在此背景下，本文以某核電站汽輪機及其彈簧基礎(chǔ)為對象進行整體抗震性能分析研究，以期為核電設(shè)備的抗震性能計算提供一種較為簡便的方法。

1 研究對象及方法

汽輪機是核電站常規(guī)島中最重要的設(shè)備之一，是精密度很高的大型設(shè)備，其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、質(zhì)量重而且分布不均、安裝高度高、與外部結(jié)構(gòu)的連接多且復(fù)雜。這些因素使得對其進行整體抗震分析時不能僅孤立地考慮汽輪機本身，還必須考慮到其它結(jié)構(gòu)的影響，最典型的是直接支撐機組的基礎(chǔ)?；A(chǔ)的動力特性在一定程度上決定或影響了其支撐的設(shè)備在地震條件下的反應(yīng)［1-3］，但設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性又反過來制約和影響著基礎(chǔ)類型的選擇和具體設(shè)計［4］。為充分考慮基礎(chǔ)及設(shè)備在外力作用情況下的相互影響，最好是將基礎(chǔ)與設(shè)備一起納入整體的計算模型進行耦合［5］，然后對整個耦合系統(tǒng)進行時程分析，從而得到在完整的時程下考慮彼此相互作用的位移和載荷分布結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)各組成部分進行獨立的分析評估，結(jié)果將更加可靠和準(zhǔn)確。

需要說明的是，核電設(shè)備的抗震分析并不等同于核電廠的抗震分析，前者包含在后者內(nèi)，而又與常規(guī)理解的后者內(nèi)容有所差別。眾所周知，核電站由于其存在潛在放射性擴散的風(fēng)險，其抗震分析及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都受到相當(dāng)嚴(yán)苛的考驗，然而，這與針對不同安全級別的組成部分的抗震需求還是有區(qū)別的。根據(jù)美國核管會(NRC)的導(dǎo)則RG1.29［6］推薦的方法，按承受安全停堆地震效應(yīng)要求，核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備各物項可劃分為抗震I 類(C-I)、抗震II 類(C-II)、非抗震類(NS)等3類?；径x如下:

1)抗震I 類:在地震條件下既要保持功能又必須保證完整性的物項。

2)抗震II 類:在地震條件下只須保證完整性而無需執(zhí)行功能的物項。

3)非抗震類:不屬于C-I 和C-II 的物項均為非抗震類，核電站廠區(qū)的非核設(shè)施，如壓水堆核電站的汽輪機廠房及其它輔助設(shè)施均屬于此類。對于此類物項，美國規(guī)定直接按通用建筑規(guī)范(UBC)進行設(shè)計。而我國則規(guī)定，按民用建筑規(guī)范的方法進行設(shè)計，但其設(shè)防烈度應(yīng)比廠址區(qū)域的基本烈度提高1 度［7］。

鑒于上述規(guī)定，同時為更好地探討汽輪機整體抗震動力分析方法，本文按我國對核電站非抗震類物項的規(guī)定，參考民用建筑設(shè)計的方法，以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)為指導(dǎo)，借鑒使用其中的一些設(shè)計思想和驗算方法:

“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計思想:即設(shè)防目標(biāo)按小震不壞、中震可修、大震不倒分為三級水準(zhǔn);設(shè)計過程則按對構(gòu)件在多遇地震作用下進行彈性變形分析及在罕遇地震作用下進行彈塑性變形驗算兩階段來完成。

時程分析法:將建筑物作為彈性或彈塑性振動系統(tǒng)，將地震時地面運動產(chǎn)生的位移、速度、加速度直接作用在該系統(tǒng)上，然后用動力學(xué)的方法進行分析，對運動方程直接積分，從而獲得系統(tǒng)各質(zhì)點位移、速度、加速度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震剪力的時程變化曲線。這是一種能準(zhǔn)確反映地震作用下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)的方法。

采用時程分析法對結(jié)構(gòu)進行動力分析通常包括以下幾個步驟:(1)建立結(jié)構(gòu)的幾何模型;(2)對模型進行前處理，包括定義載荷或約束等邊界條件，定義各構(gòu)件的單元類型和材料類型等;(3)輸入適合的地震波，開始計算;(4)計算完成后，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，對結(jié)構(gòu)整體的可靠度作出評估［8］。

2 模型建立及前處理

本文以某核電站汽輪發(fā)電機機組及其基礎(chǔ)為研究對象。汽輪機由1 個高壓缸、2 個低壓缸組成，做功后的乏汽經(jīng)由2 個低壓缸兩端向下排入凝汽器，在凝汽器中冷凝成水后繼續(xù)循環(huán)利用。由于凝汽器和低壓缸以及基礎(chǔ)的連接較為復(fù)雜而不容忽視，所以我們將凝汽器也納入分析范圍。機組采用的是彈簧基礎(chǔ)，由鋼筋混凝土頂板、柱子、中間層和底板組成，頂板上依次安裝高壓缸、1號低壓缸、2 號低壓缸、發(fā)電機等。低壓內(nèi)缸的貓爪穿出外缸支撐在基礎(chǔ)(預(yù)埋件)上，外缸則由下半側(cè)板上的支架支撐在基礎(chǔ)臺板上。凝汽器與低壓缸下部剛性連接位于臺板以下，通過彈簧坐落于基礎(chǔ)的底板上。

本文采用Unigraphics NX 軟件進行三維實體建模，利用HYPERMESH 進行網(wǎng)格劃分等前處理，最后由LS-DYNA 進行求解計算并輸出分析結(jié)果。

在建模過程中，為了避免由于計算內(nèi)容太過龐大而引起相應(yīng)的問題，本次研究對汽輪機高壓缸及發(fā)電機進行了簡化，即將其轉(zhuǎn)子部件按等效梁單元進行建模，而靜子部件如外缸等部件按載荷的形式分布在相應(yīng)的基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)上，整體布置結(jié)構(gòu)示意模型如圖1 所示。

圖1 整體布置圖

本文依托于工程實際項目進行研究，各部件材料及特性參數(shù)均按實際定義。基礎(chǔ)部分除底板采用C40 混凝土外，其余柱子、頂板等均采用C50混凝土。汽輪機低壓外缸和凝汽器水室采用Q235B 鋼材，低壓內(nèi)缸采用P265GH(20g)鋼材，轉(zhuǎn)子采用等效參數(shù)。由于彈性及彈塑性地震時程分析的區(qū)別僅在于所用的材料本構(gòu)模型以及地震波的不同，為避免重復(fù)和累贅，本文僅考慮罕遇地震下的彈塑性分析，相應(yīng)的各材料本構(gòu)模型為彈塑性模型，其主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料主要性能參數(shù)

各實體部件之間的連接均按工程實際情況定義。例如，低壓內(nèi)缸通過四周的支撐貓爪支撐于預(yù)埋在基礎(chǔ)中的支座上，約束Z 方向的相對位移，除軸向定位處外，其余貓爪沿X、Y 方向可以自由熱脹。外缸與基礎(chǔ)的連接設(shè)置與此相同，凝汽器喉部與外缸底部定義為剛性連接，而轉(zhuǎn)子的支撐軸承采用水平和豎向剛度來等效。

由于本文模型整體相當(dāng)復(fù)雜，存在各種子結(jié)構(gòu)，在定義單元格類型時，采用了多種不同類型單元混用的方法來求解:主結(jié)構(gòu)采用六面體單元;低壓內(nèi)缸和水室內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)采用一維桿單元;凝汽器外殼、水室、底板及隔板等采用殼單元，其內(nèi)部支撐及冷卻水管采用梁單元等。此外，由于凝汽器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部支撐架和冷卻水管尺寸小而數(shù)量多，為順利進行網(wǎng)格劃分和方便計算，在建模時對其進行了適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略冷卻水管中水的晃動產(chǎn)生的作用，將其以等效質(zhì)點的形式分布于水管節(jié)點處。

本次分析模型節(jié)點378 882 個，單元338 955個。由于模型復(fù)雜、單元節(jié)點數(shù)量巨大，為確保計算收斂以及結(jié)果可靠準(zhǔn)確，本文通過以下方法對彈簧基礎(chǔ)、低壓外缸和凝汽器模型進行了驗證分析:加速度響應(yīng)分析的結(jié)果表明，地震下彈簧基礎(chǔ)頂部的加速度比輸入的加速度大大降低，也就是說彈簧基礎(chǔ)起到了隔震的效果，符合彈簧基礎(chǔ)的性能特點;模態(tài)分析的結(jié)果則表明，低壓外缸和凝汽器具有良好的整體剛度和各階模態(tài)，說明單元間的連接是有效的，所建立的模型是合理可靠的。劃分網(wǎng)格后的整體有限元模型如圖2 所示。

圖2 整體網(wǎng)格模型

3 地震參數(shù)輸入及結(jié)果分析

在采用時程分析法對結(jié)構(gòu)進行地震反應(yīng)計算時，需要輸入地震波加速度的時程曲線。理論和實踐證明，輸入不同的地震波，所得出的地震反應(yīng)相差甚遠。因此選擇合適的地震波相當(dāng)重要。一般選用的地震波有以下三種:(1)擬建場地的實際地震記錄;(2)典型的強震記錄;(3)人工地震波。

本文地震波的記錄基于EL-centro 波，該波加速度南北分量最大峰值amax=0.33 g，其記錄主要周期為0.25～0.6 s。加速度反應(yīng)譜主峰點對應(yīng)的周期為0.55 s。這一記錄由于加速度峰值較大，且波頻范圍較寬，因此多年來被工程界作為大地震的典型例子加以廣泛應(yīng)用。本文在其基礎(chǔ)上進行人工調(diào)整以滿足設(shè)防烈度為8 度的需求。根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，8 度設(shè)防烈度下罕遇地震時程分析(彈塑性分析)所用的地震加速度最大值為4 m/s2，因此調(diào)整后的加速度譜如圖3 所示。

分析時地震波分別沿X、Y 方向從基礎(chǔ)底板輸入，除地震波輸入方向外，基礎(chǔ)底部約束其它方向自由度。同時模型跨度相對地震波而言很小，故忽略行波效應(yīng)，地震波采用一致性輸入，即同一時刻基礎(chǔ)底部各處輸入的地震加速度是一樣的。

圖3 彈塑性分析加速度時程曲線

由于汽輪機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密性，尤其是通流間隙往往只有幾毫米，地震引起的部件相對位移過大則可能會引起動、靜葉片碰磨。有關(guān)核電站和火電站汽輪機震害調(diào)查的研究表明［2-3，9］，地震引起的動靜碰磨是造成汽輪發(fā)電機組損壞的一大原因，因此，本文就轉(zhuǎn)子和靜子部件間相對位移方面進行分析說明。

3.1 轉(zhuǎn)子與臺板的位移響應(yīng)

圖4 和圖5 分別表示了轉(zhuǎn)子和臺板的絕對位移以及它們間的相對位移。從中可以看出，在地震波加速度峰值對應(yīng)的2 s 左右，轉(zhuǎn)子和基礎(chǔ)臺板的位移響應(yīng)在10～15 mm 范圍，相對位移約為5 mm;在經(jīng)歷了地震的整個時程后，基礎(chǔ)臺板頂部的最大位移響應(yīng)超過了150 mm，轉(zhuǎn)子相對臺板的位移約為21 mm。僅僅這2 處數(shù)據(jù)尚不能直接說明問題，還必須考慮臺板與外缸、外缸與內(nèi)缸、內(nèi)缸與轉(zhuǎn)子的相對位移情況。由于本文研究的機組低壓內(nèi)缸直接支撐在基礎(chǔ)上而不是由低壓外缸支撐，因此將臺板與外缸、外缸與內(nèi)缸的相對位移合并成臺板與內(nèi)缸的相對位移。由于各部位的判斷方法是一樣的，為避免累贅，下文僅以轉(zhuǎn)子與1 號低壓缸調(diào)閥端排汽側(cè)位置為例來說明。

圖4 轉(zhuǎn)子與臺板的位移

3.2 內(nèi)缸相對于臺板的位移響應(yīng)

圖6 所示為內(nèi)缸與基礎(chǔ)臺板間的相對位移，從圖中可見，在2 s 左右，內(nèi)缸相對于基礎(chǔ)臺板的位移約為2 mm，而在經(jīng)歷了完整的地震時程之后，內(nèi)缸與臺板的相對距離又基本恢復(fù)到了初始值。整個時程中內(nèi)缸最大相對位移約4.2 mm。結(jié)構(gòu)上，內(nèi)缸在支撐貓爪處被設(shè)計成可以沿X、Y方向自由熱脹，有足夠的空間容納內(nèi)缸的相對位移，可以判斷此處結(jié)構(gòu)在地震作用下是安全的。

圖6 內(nèi)缸的相對位移

3.3 轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)缸的位移響應(yīng)

圖7 所示為轉(zhuǎn)子與內(nèi)缸之間的相對位移，從圖中可以看出，在2 s 左右，轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)缸的位移約為2 mm，在經(jīng)歷了完整的地震時程之后，相對位移增大到約11 mm。整個時程中轉(zhuǎn)子相對內(nèi)缸的最大位移約11 mm。

圖7 轉(zhuǎn)子的相對位移

由于低壓缸通流間隙從第一級到最末級相差較大，即從最小3 mm 到最大16 mm，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)確定上述最大位移所處位置，并與該處通流間隙相比即可確定是否發(fā)生動靜碰磨。如果碰磨發(fā)生，還可進一步分析碰磨的原因，如軸承在地震作用下失穩(wěn)失效、汽缸發(fā)生了塑性變形等，在此基礎(chǔ)上對部件進行改進設(shè)計。

4 結(jié)論

本文通過將汽輪機及基礎(chǔ)模型耦合在一起并對其進行完整的時程分析，得出了某些重點部位的位移響應(yīng)，在某種程度上直接評估了汽輪機的抗震能力。此種分析方法也可以得出系統(tǒng)內(nèi)各具體位置的加速度響應(yīng)以及應(yīng)力分布狀況等，這些內(nèi)容可以作為輸入數(shù)據(jù)來設(shè)計和考核設(shè)備部套，這將比常規(guī)的做法更加可靠和準(zhǔn)確。由于篇幅有限，此次分析計算的其它結(jié)果以及在此基礎(chǔ)上對設(shè)備各部件進行的分析評估工作將留待日后探討。

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