核電廠公共區(qū)域冷卻器結(jié)構(gòu)抗震能力分析

遲 鵬（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

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核電廠公共區(qū)域冷卻器結(jié)構(gòu)抗震能力分析

遲 鵬
（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

摘 要：本文針對(duì)核電廠公共區(qū)域的室內(nèi)冷卻器機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析，采用ANSYS軟件的有限元分析方法，按照現(xiàn)行建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)描述的地震情況，分別分析水平方向地震2.0g和2.7g的工況以及冷卻器機(jī)組在設(shè)計(jì)載荷下的抗震情況。

關(guān)鍵詞：核電廠；冷卻器；有限元分析；抗震

考慮到核電廠可能因地震而發(fā)生類(lèi)似日本福島的事故，本文以水平方向地震2.0g和2.7g工況為例，對(duì)核電廠公共區(qū)域的室內(nèi)冷卻器機(jī)組通過(guò)有限元分析計(jì)算，提高設(shè)備抗震性能，更好地滿(mǎn)足核電項(xiàng)目的需要。

1 有限元分析模型

筆者采用有限元分析軟件ANSYS建立機(jī)組模型、劃分網(wǎng)格、定義邊界條件、求解并進(jìn)行后處理，主要用到的單元類(lèi)型有BEAM188、SHELL181、MASS21、CONTA175。框架結(jié)構(gòu)中的角鋼和槽鋼采用BEAM188單元進(jìn)行建模，面板、檢修門(mén)、框架底座中的接水盤(pán)和底板采用SHELL181進(jìn)行建模，采用質(zhì)量單元MASS21建立表冷器和風(fēng)機(jī)模型，并通過(guò)多點(diǎn)接觸模擬表冷器與滑道、風(fēng)機(jī)與框架之間的連接。在表冷器進(jìn)出水集管管嘴位置分別建立兩個(gè)MASS21質(zhì)量單元并與表冷器單元進(jìn)行耦合，以模擬管嘴載荷對(duì)機(jī)組的影響。冷卻機(jī)組的有限元模型如圖1所示。

在有限元模型中，筆者通過(guò)在兩端框架的結(jié)合位置建立耦合單元對(duì)模擬表冷段框架與風(fēng)機(jī)段框架的螺栓連接。在表冷段底座、風(fēng)機(jī)段底座與基礎(chǔ)錨接固定處，分別施加UX、UY、UZ方向約束。

2 載荷定義

筆者根據(jù)公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器的特點(diǎn)，采用等級(jí)A合成載荷工況，其主要載荷為：正常載荷N+熱載荷T+動(dòng)載L+部件載荷CL+地震載荷SL。

圖1 冷卻機(jī)組有限元模型

2.1 正常載荷N

正常載荷包括正常運(yùn)行壓力超差、系統(tǒng)運(yùn)行壓力瞬變、凈重、外部載荷和固定載荷。

2.2 熱載荷T

熱載荷應(yīng)包括由溫度引起的力和位移受約束所產(chǎn)生的負(fù)荷。機(jī)組的設(shè)計(jì)溫度為65.6℃，在有限元分析中設(shè)定最高溫度為65.6℃，參考溫度20℃。

2.3 動(dòng)載（L）

殼體頂蓋可以承受250磅（113kg）的重量。在沒(méi)有其他底板形式要求時(shí)，殼體底板的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮至少為50磅/平方英尺（244.1kg/m2）。

2.4 部件載荷（CL）

內(nèi)部固定的部件對(duì)殼體施加的力在本項(xiàng)目計(jì)算中指的是冷卻盤(pán)管和風(fēng)機(jī)及電機(jī)的重量，其中盤(pán)管按注滿(mǎn)水后的重量255kg考慮，風(fēng)機(jī)及電機(jī)重量按100kg考慮。

2.5 地震載荷（SL）

由安全停堆地震引起的載荷。不同于ASME AG-1中載荷標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，AP1000電廠對(duì)于運(yùn)行基準(zhǔn)地震不予評(píng)估。包括地震作用的水平部件和垂直部件這些正交分量都應(yīng)同時(shí)合成計(jì)算，來(lái)得到最?lèi)毫拥膽?yīng)力和撓度，這些元件可以采用平方和開(kāi)方法合成計(jì)算。根據(jù)文件“APP-G1-S1-001.pdf”，按照現(xiàn)行建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)描述的地震和日本福島發(fā)生的特大地震的情況，筆者分別分析水平方向地震2.0g和2.7g兩個(gè)工況以及冷卻器機(jī)組在該地震荷載下的抗震情況。

3 分析結(jié)果

3.1 機(jī)組應(yīng)力分析

水平方向地震為2.0g。筆者采用等級(jí)A載荷合成工況對(duì)冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器進(jìn)行有限元分析，得到的機(jī)組的最大薄膜應(yīng)力為30.5MPa，最大薄膜加彎曲應(yīng)力為142MPa。

水平方向地震為2.7g。筆者采用同等工況進(jìn)行有限元分析，得到機(jī)組的最大薄膜應(yīng)力為39.7MPa，最大薄膜加彎曲應(yīng)力為168MPa。

框架和殼體的許用應(yīng)力應(yīng)符合ASMEAG-1中的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，在使用等級(jí)A工況下的基本普通薄膜設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)0.6Fy，薄膜和彎曲組合設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)1.5×0.6Fy，其中，F(xiàn)y為材料的最低屈服強(qiáng)度。冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器的材料中，ASTM 304的最大屈服強(qiáng)度Fy為205MPa，ASTM A6和ASTM A36的最大屈服強(qiáng)度Fy為250MPa，ASTM A653的最大屈服強(qiáng)度Fy為275MPa，由于：

0.6×205MPa=123MPa

1.5×0.6×205MPa=184.5MPa

因此，冷卻器機(jī)組的薄膜應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力滿(mǎn)足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 底座構(gòu)架撓度分析

水平方向地震為2.0g。在等級(jí)A載荷合成工況下，分別觀察冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器底座構(gòu)架在UX、UY、UZ方向的形變，可以看出其沿UZ方向的撓變最大，因此，筆者選取UZ方向的撓變進(jìn)行分析。得到UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道下支撐構(gòu)架的右冷彎槽鋼，最大變形處相對(duì)于其兩端的撓變?yōu)?.842mm。

水平方向地震為2.7g。在同等工況下也得出UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道下支撐構(gòu)架的右冷彎槽鋼，最大變形處相對(duì)于其兩端的撓變?yōu)?.975mm。

根據(jù)殼體底座構(gòu)架的撓度標(biāo)準(zhǔn)，底座構(gòu)架的最大允許撓度應(yīng)取為其跨度的1/360與3.2mm的較小值。表冷器滑道下支撐構(gòu)架右冷彎槽鋼的長(zhǎng)度為1.549m，由于：

因此，冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器的底座構(gòu)架滿(mǎn)足撓度標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 殼體框架撓度分析

水平方向地震為2.0g。在等級(jí)A載荷合成工況下，筆者分別觀察冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器殼體框架在UX、UY、UZ方向的形變，可以看出其沿UZ方向的撓變最大，因此，筆者選取UZ方向的撓變進(jìn)行分析。得出UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道的右冷彎槽鋼，最大變形處相對(duì)于其兩端的撓變?yōu)?.842mm。風(fēng)機(jī)段框架頂部的中間支撐槽鋼最大變形處相對(duì)于其兩端的撓變?yōu)?.483mm。

水平方向地震為2.7g。筆者在同等工況下也得出UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道的右冷彎槽鋼，最大變形處相對(duì)于其兩端的撓變?yōu)?.975mm。風(fēng)機(jī)段框架頂部的中間支撐槽鋼最大變形處相對(duì)于其兩端的撓變?yōu)?.482mm。

根據(jù)殼體框架的撓度標(biāo)準(zhǔn)，框架的最大允許撓度應(yīng)取為其跨度的1/360與19mm的較小值。表冷器滑道右冷彎槽鋼的長(zhǎng)度為1.549m，風(fēng)機(jī)段框架頂部的中間支撐槽鋼的長(zhǎng)度為1.491m，由于：

因此，冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器的框架滿(mǎn)足撓度標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 面板撓度分析

水平方向地震為2.0g。在額定工作壓力下，筆者分別觀察冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器殼體面板在UX、UY、UZ方向的形變，可以看出其沿UZ方向的撓變最大，因此，選取UZ方向的撓變進(jìn)行分析。得出在額定工作壓力下，冷卻器殼體面板沿UZ方向的最大位移處位于風(fēng)機(jī)段頂面板的中段，其最大變形處相對(duì)于兩端的撓變?yōu)?.5284m。

水平方向地震為2.7g。在同等工況下筆者也得出冷卻器殼體面板沿UZ方向的最大位移處位于風(fēng)機(jī)段頂面板的中段，其最大變形處相對(duì)于兩端的撓變?yōu)?.5285mm。

根據(jù)面板的撓度標(biāo)準(zhǔn)，框架間跨度每0.3048m應(yīng)不超過(guò)3.2mm，且在任何方向上不得超過(guò)19mm。風(fēng)機(jī)段頂面板的框架間跨度為0.450m，由于：

因此，冷卻器機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器的面板滿(mǎn)足撓度標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 錨定機(jī)構(gòu)受力分析

冷卻器機(jī)組采用6組10.9級(jí)M16地腳螺栓、M16螺母與基礎(chǔ)錨定。10.9級(jí)M16高強(qiáng)度螺栓在工作溫度下的許用抗拉強(qiáng)度為500MPa，許用抗剪強(qiáng)度為310MPa，有效應(yīng)力面積Ae為1.567cm2。根據(jù)螺栓緊固件的要求，同時(shí)承受剪力和軸桿方向拉力的螺栓，應(yīng)符合下列公式的要求：

通過(guò)有限元計(jì)算可以得到機(jī)組公共區(qū)域室內(nèi)冷卻器錨定機(jī)構(gòu)所受到的拉力和剪力。根據(jù)各螺栓在三個(gè)方向上受到的作用力，可計(jì)算拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，并進(jìn)行校核。

結(jié)論

根據(jù)以上的應(yīng)力分析和撓度分析可以得出，化容系統(tǒng)上充泵房公共區(qū)域冷卻器能承受正常運(yùn)行時(shí)的作用力，并分析水平方向地震2.0g和2.7g工況，底座構(gòu)架、殼體框架和面板能夠滿(mǎn)足其撓度標(biāo)準(zhǔn)。

在未來(lái)的項(xiàng)目執(zhí)行中，我們可以根據(jù)具體項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況條件、地震烈度等實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的計(jì)算，對(duì)于結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)的抗震性能夠達(dá)到要求，更好地滿(mǎn)足核電項(xiàng)目的需要。

參考文獻(xiàn)

［1］胡少卿，張永利.廣東臺(tái)山核電一期1，2號(hào)機(jī)組空氣冷卻器的抗震性能計(jì)算分析［J］.世界地震工程，2011，27（2）：148-153.

中圖分類(lèi)號(hào)：TF758

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A