地震工況下核電應(yīng)急發(fā)電機(jī)組排煙裝置的設(shè)計(jì)及仿真

李鵬濤，王戈戰(zhàn)（. 陜柴重工西安電站工程分公司，陜西西安，70077；. 中船重工天津修船技術(shù)研究所，天津，300456）

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地震工況下核電應(yīng)急發(fā)電機(jī)組排煙裝置的設(shè)計(jì)及仿真

李鵬濤1，王戈戰(zhàn)2
（1. 陜柴重工西安電站工程分公司，陜西西安，710077；
2. 中船重工天津修船技術(shù)研究所，天津，300456）

本文以福建福清核電站5&6項(xiàng)目為依托，根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)了應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的排煙裝置，并在Hyper mesh環(huán)境下進(jìn)行了排煙裝置的有限元建模和網(wǎng)格劃分；同時(shí)利用Hyper mesh和ANSYS的無(wú)縫接口，在ANSYS軟件中采用模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析相結(jié)合的方法計(jì)算了排煙裝置在高溫、設(shè)備負(fù)載、地震等不同工況下所受到的應(yīng)力和位移，檢驗(yàn)了排煙裝置設(shè)計(jì)的正確性與合理性。

排煙裝置；設(shè)計(jì)；模態(tài)分析；譜分析

引言

核電設(shè)備對(duì)于抗震性能的高要求不言而喻，伴隨著科技的不斷進(jìn)步，核電技術(shù)已經(jīng)從第一代發(fā)展到今天的第三代，甚至是三代半。在這個(gè)過(guò)程中，安全始終是貫穿整個(gè)核電發(fā)展的主軸線。

在設(shè)計(jì)和建造核電站的過(guò)程中，每次都對(duì)核電設(shè)備的設(shè)計(jì)和建造提出了更加苛刻的抗震性能要求。由于核電站的建設(shè)和運(yùn)行要考慮到地震、海嘯、颶風(fēng)、爆炸等各種極端因素，所以在設(shè)計(jì)階段就要考慮到地震因素的影響，對(duì)于一些關(guān)鍵的核級(jí)設(shè)備必須進(jìn)行抗震試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性，對(duì)于一些非核級(jí)設(shè)備必須進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算和校核［1-3］。本文建立了排煙裝置的有限元模型，并利用模態(tài)分析和譜分析相結(jié)合的方法，仿真計(jì)算了各種工況下排煙裝置的應(yīng)力、位移情況［4］。

1　排煙裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組廠房的實(shí)際結(jié)構(gòu)和空間位置，考慮到金屬在高溫下的膨脹裕量和地震工況時(shí)的位移偏差，因此將排煙管分為前后兩段，并在其中間部位、排煙管的進(jìn)出口處各加上一個(gè)膨脹節(jié)（如圖4），用于熱膨脹余量的補(bǔ)償和振動(dòng)的緩沖。材料選擇如表1。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：整個(gè)排煙管直徑為1118mm，采用壁厚為8mm不銹鋼材質(zhì)（15CrMoR）焊接而成，兩個(gè)集氣支管直徑為710mm；整個(gè)排煙管采用固定支架和導(dǎo)向支架（12 Cr1MoV）相結(jié)合的方式安裝，這樣不僅能起到固定的作用，而且導(dǎo)向支架可以緩沖振動(dòng)，起到保護(hù)作用；其中前半段排煙管由3個(gè)導(dǎo)向支架固定，后半段分別由1個(gè)固定支架和一個(gè)導(dǎo)向支架固定。

圖1　排煙裝置

表1　排煙裝置材質(zhì)

2　排煙裝置的有限元模型

有限元方法的基本思路是“先離散，后集成”，它是運(yùn)用近似求解的數(shù)學(xué)方法對(duì)于工實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行求解，大多數(shù)復(fù)雜的工程問(wèn)題通過(guò)有效的簡(jiǎn)化離散處理從而得到其足以滿足實(shí)際需要的近似解。在CAE領(lǐng)域，Hyper mesh軟件具有強(qiáng)大的前期處理和網(wǎng)格劃分功能，而且對(duì)于其它結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析軟件有著很好的接口功能，基于這一點(diǎn)本文在Hyper mesh軟件中創(chuàng)建了排煙裝置的有限元模型并劃分了網(wǎng)格：其中利用Shell181單元來(lái)模擬不同厚度和材質(zhì)的排煙管結(jié)構(gòu)和管支架結(jié)構(gòu)，利用不同剛度和阻尼的Combine14單元來(lái)建立模擬管支架和排煙管彈性聯(lián)接的部分，用梁?jiǎn)卧狟eam 188模擬剛性支撐結(jié)構(gòu)，建模后劃分得到的有限元模型如圖2所示。

圖2　排煙裝置有限元模型

3　負(fù)載的定義及強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于排煙裝置，它受到的載荷主要有自重（DW－Dead weight）、內(nèi)部壓力（IPInternal pressure）、熱膨脹（TH－Thermal expansion）、管端負(fù)載（NL－Nozzle loads），除了這些靜態(tài)載荷還要考慮地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。地震載荷一般分為運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE －Operation Basic Earthquake）和安全停堆地震（SSE，Safe Shutdown Earthquake）兩種；本文在計(jì)算中采用工況組合的方法分別計(jì)算了正常工況、異常工況、事故工況下排煙裝置所受到的應(yīng)力和位移［5］，具體見(jiàn)表2。

表2　排煙裝置所受到的應(yīng)力和位移

4　地震反應(yīng)譜及譜分析法的介紹

圖3　應(yīng)急發(fā)電機(jī)組樓層反應(yīng)譜

圖4　膨脹節(jié)

如圖3所示，其為應(yīng)急發(fā)電機(jī)組所在樓層的反應(yīng)譜，由于地震的能量一般集中在低頻范圍內(nèi)，因此樓層反應(yīng)譜的范圍選取在100Hz以內(nèi)。在抗震計(jì)算中經(jīng)常使用它對(duì)實(shí)際的設(shè)備進(jìn)行抗震試驗(yàn)或者仿真計(jì)算。反應(yīng)譜分析法建立在振型分解反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)之上，它是模態(tài)分析理論的延伸。通過(guò)求解系統(tǒng)的模態(tài)振型，同時(shí)將地震作用時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)分解為各模態(tài)振型分量的疊加，然后通過(guò)相關(guān)的組合方法：CQC方法（全二次組合）、GRP方法（分組組合）、DSUM方法（雙求和方法）、SRSS方法（先求平方和、再求平方根的組合方法）疊加得到各振型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜響應(yīng)，從而最終得到總的地震響應(yīng)值。

5　模態(tài)響應(yīng)計(jì)算

為了得到地震工況下排煙管的應(yīng)變和位移情況，首先對(duì)整個(gè)排煙管進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到其前6階的模態(tài)振型如圖5所示。

圖5　排煙裝置模態(tài)振型圖

6　不同工況下的應(yīng)力位移計(jì)算

按照前面小節(jié)中給定的各種工況下的已知條件和機(jī)組的樓層反應(yīng)譜計(jì)算不同載荷工況組合時(shí)排煙裝置的受力應(yīng)變和位移改變，以檢驗(yàn)排煙管在各種情況下能否正常工作；另外由于排煙管安裝在室內(nèi)，不受風(fēng)載的作用，故不需要考慮風(fēng)載對(duì)排煙管的影響。在進(jìn)行譜分析計(jì)算時(shí)，對(duì)于OBE反應(yīng)譜值在計(jì)算時(shí)阻尼比取2%，SSE反應(yīng)譜值在計(jì)算時(shí)阻尼比取4%。

6.1 正常工況

正常工況下薄膜應(yīng)力的最大許用應(yīng)力為S=115Mpa，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的最大許用應(yīng)力為172.5Mpa，因此這種工況下排煙裝置是安全的。如圖6所示。

圖6　正常工況下排煙裝置的位移、應(yīng)力

6.2 異常工況

異常工況下薄膜應(yīng)力的最大許用應(yīng)力為126.5Mpa，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的最大許用應(yīng)力為189.5Mpa，因此這種工況下排煙裝置是安全的。如圖7所示。

圖7　正常工況下排煙裝置的位移、應(yīng)力

6.3 事故工況

事故工況下薄膜應(yīng)力的最大許用應(yīng)力為172.5Mpa，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的最大許用應(yīng)力為207Mpa，因此這種工況下排煙裝置是安全的。具體如圖8所示。

圖8　正常工況下排煙裝置的位移、應(yīng)力

7　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述：以上三種工況下排煙裝置的應(yīng)力滿足要求，最大位移35.5mm小于膨脹節(jié)的補(bǔ)償余量±45mm，因此排煙裝置的設(shè)計(jì)是合理的、安全的；運(yùn)用力學(xué)簡(jiǎn)化原則，利用Shell殼體單元、Combine彈性單元、Beam梁?jiǎn)卧仍贖yper mesh環(huán)境下建立了排煙裝置的有限元模型；

在ANSYS環(huán)境下運(yùn)用模態(tài)分析理論和譜分析相結(jié)合的方法計(jì)算出不同工況下排煙裝置的受力情況和位移情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

［1］劉鴻文， 材料力學(xué)（I），北京:高等教育出版社，2004.

［2］趙枚，周海亭，陳光冶，朱蓓麗，機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)，北京:科學(xué)出版社，2004，9.

［3］黃增宏，管道應(yīng)力分析與管道設(shè)計(jì)手冊(cè)，長(zhǎng)春:東北電力設(shè)計(jì)院出版發(fā)行，2004，5.

［4］王新敏，李義強(qiáng)，許宏偉，ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用，北京:人民交通出版社，2011，9.

［5］呂玉恒，王庭佛，噪聲與振動(dòng)控制設(shè)備及材料選用手冊(cè)，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999，5.

王戈戰(zhàn)（1984-），研究生，工程師。研究方向：船舶與海洋工程管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

E-mail: wanggezhan1984@163.com

Design and Simulation Calculation on Exhaust Device of Nuclear Power Emergency Generator under Earthquake Condition

Pengtao Li1， Gezhan Wang2
（1. ShanXi Diesel Heavy Industry Co，.Ltd.，Power Engineering Company， Xian， Shanxi， 710077， China；
2. Chinese Ship Heavy Industry Co，.Ltd.，Tianjin Repairing ship Research Institute， Tianjing， 300456， China）

In this paper， based on 5 & 6 fujian fuqing nuclear power station project， according to the actual site environment design of the emergency generator exhaust device， and in the Hyper mesh environment has carried on the finite element modeling and meshing of smoke exhaust device；Seamless interface at the same time use the Hyper mesh and ANSYS， the modal analysis in ANSYS software and the response spectrum analysis method to calculate the smoke exhaust device in high temperature and under different working conditions， equipment load， earthquake and so on by stress and displacement， test the correctness and rationality of the smoke exhaust device design.

Exhaust Device；Design；Seismic Calculation；Modal Analysis；Spectral Analysis

李鵬濤（1984-），研究生，工程師。研究方向：振動(dòng)測(cè)試與計(jì)算。E-mail: hongluobo2006@163.com

TL353

A

2095-8412 （2016） 03-358-05