輔助給水泵用1E級(jí)發(fā)電機(jī)抗震分析

尤國(guó)英， 張智祿， 劉銀芳， 李 逸

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無(wú)錫分部， 江蘇無(wú)錫 214151；2. 鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司， 江蘇鎮(zhèn)江 212009)

輔助給水泵用1E級(jí)發(fā)電機(jī)抗震分析

尤國(guó)英1， 張智祿1， 劉銀芳1， 李 逸2

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無(wú)錫分部， 江蘇無(wú)錫 214151；2. 鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司， 江蘇鎮(zhèn)江 212009)

為了驗(yàn)證發(fā)電機(jī)能夠承受安全停堆地震(SSE)載荷，并保持其結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，采用有限元法，對(duì)某核電站柴油機(jī)輔助給水泵用的1E級(jí)發(fā)電機(jī)進(jìn)行抗震計(jì)算分析。利用前后處理軟件PATRAN建立了發(fā)電機(jī)的力學(xué)模型，利用有限元分析軟件NASTRAN進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的靜力分析、模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)在重力、操作載荷、地震等多種載荷組合下的應(yīng)力、位移進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明：該發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

1E級(jí)發(fā)電機(jī)； 輔助給水泵； 抗震分析； 有限元法； 應(yīng)力評(píng)定

設(shè)備的安全可靠性是核電站建造時(shí)必須關(guān)注的重要問(wèn)題，世界上一些國(guó)家都建立了一整套有關(guān)核電站安全的法規(guī)、導(dǎo)則和規(guī)范[1-3]。設(shè)備的抗震設(shè)計(jì)是核電站工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，必須嚴(yán)格執(zhí)行抗震設(shè)計(jì)和鑒定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[4-5]?？拐鹪O(shè)計(jì)和鑒定的目的是保證設(shè)備在發(fā)生安全停堆地震時(shí)能夠維持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，并執(zhí)行其安全功能。

柴油機(jī)輔助給水泵是壓水堆核電站輔助給水系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，主要由柴油發(fā)電機(jī)組、增速齒輪箱、給水泵等部件組成，在核電站全廠斷電包括喪失應(yīng)急電源或發(fā)生安全停堆事故工況下執(zhí)行安全功能，即由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵，向蒸汽發(fā)生器提供足夠的冷卻水，以排除反應(yīng)堆內(nèi)剩余熱量，從而保證反應(yīng)堆堆芯的安全；同時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)向泵房通風(fēng)、冷卻設(shè)備以及輔助給水系統(tǒng)的電動(dòng)閥供電，以保證輔助給水泵的運(yùn)行可靠性和獨(dú)立性。柴油機(jī)輔助給水泵用的發(fā)電機(jī)屬于1E級(jí)電氣設(shè)備，有抗震I類要求，必須經(jīng)過(guò)抗震鑒定。

設(shè)備的抗震鑒定方法有試驗(yàn)法、分析法、經(jīng)驗(yàn)法和這幾種方法的組合[6]，電氣設(shè)備大多采用試驗(yàn)鑒定，但也可采用分析鑒定。在設(shè)計(jì)階段，分析法有其特殊的優(yōu)越性，通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)和任意位置的地震響應(yīng)，反過(guò)來(lái)再指導(dǎo)設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？拐鸱治鐾ǔ２捎庙憫?yīng)譜法，但對(duì)于第一階固有頻率高于33 Hz的剛性結(jié)構(gòu)，可采用等效靜力法。如文獻(xiàn)[7]采用響應(yīng)譜法對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑泵進(jìn)行了抗震分析，而文獻(xiàn)[8]采用等效靜力法對(duì)核電站屏蔽泵進(jìn)行了抗震分析，但有關(guān)發(fā)電機(jī)抗震分析的文獻(xiàn)較少。筆者采用等效靜力法對(duì)柴油機(jī)輔助給水泵用的1E級(jí)發(fā)電機(jī)進(jìn)行抗震分析鑒定，為發(fā)電機(jī)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 計(jì)算方法

采用有限元前后處理軟件PATRAN[9]進(jìn)行力學(xué)建模及結(jié)果后處理，采用有限元分析軟件NASTRAN[10]進(jìn)行分析求解。NASTRAN軟件作為國(guó)際知名的CAE產(chǎn)品，已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶及核電等行業(yè)。

采用NASTRAN軟件中的LANCZOS方法計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，由于第1階固有頻率大于33 Hz，屬于剛性結(jié)構(gòu)，故采用等效靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算。等效靜力法是將地震作用等效為靜態(tài)的慣性力，輸入慣性加速度值(通?？紤]1.5倍的放大系數(shù))，按靜力分析的方法計(jì)算地震響應(yīng)(應(yīng)力、位移、支反力等)，其結(jié)果偏于保守。最后，依據(jù)ASME III設(shè)計(jì)規(guī)范，組合各載荷工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定和變形校核。

2 力學(xué)模型

2.1 結(jié)構(gòu)描述

該1E級(jí)發(fā)電機(jī)的額定功率為136 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/mim，主要由定子、轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁系統(tǒng)組件等結(jié)構(gòu)組成。定子包括機(jī)座(焊接件)、蓋板、前后端蓋、軸承座、定子繞組等部件，轉(zhuǎn)子包括軸、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子繞組、勵(lì)磁機(jī)繞組等部件。發(fā)電機(jī)軸由兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐，軸的材料為45號(hào)鋼。前端蓋、后端蓋與機(jī)座之間采用8個(gè)M10的螺栓連接。機(jī)座材料為Q235B，兩側(cè)的支架采用6個(gè)M16的安裝螺栓進(jìn)行固定。

2.2 材料參數(shù)

發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料為Q235B和45鋼，常溫下材料的力學(xué)性能參數(shù)見表1；發(fā)電機(jī)主要連接螺栓的規(guī)格為M10和M16，其機(jī)械性能參數(shù)見表2。

表1 材料的性能參數(shù) MPa

表2 螺栓的性能參數(shù)

2.3 有限元模型

發(fā)電機(jī)的機(jī)座殼體及支架、隔板、端蓋、軸承座、風(fēng)扇等采用三維板殼單元(SHELL)模擬，軸采用三維梁?jiǎn)卧?BEAM)模擬，鐵芯、繞組采用三維實(shí)體單元(SOLID)模擬，轉(zhuǎn)子繞組(實(shí)體單元)與軸(梁?jiǎn)卧?之間采用多點(diǎn)約束單元(MPC)連接。有限元網(wǎng)格共劃分節(jié)點(diǎn)7 652個(gè)，結(jié)構(gòu)單元6 545個(gè)，另有MPC單元34個(gè)。發(fā)電機(jī)的有限元模型見圖1，其中兩側(cè)支架模型中的編號(hào)No.1～6表示6個(gè)安裝固定螺栓，按鉸支邊界條件處理，約束節(jié)點(diǎn)的三個(gè)平動(dòng)自由度。

圖1 有限元計(jì)算模型

2.4 載荷條件

發(fā)電機(jī)受到載荷有結(jié)構(gòu)自重(DW)、運(yùn)行時(shí)扭矩載荷(TN)、運(yùn)行基準(zhǔn)地震載荷(OBE)或安全停堆地震載荷(SSE)。其中的地震載荷(OBE、SSE)按等效靜力載荷輸入，取1.5倍的樓層響應(yīng)譜最大加速度幅值，按慣性力作用在質(zhì)心。依據(jù)ASME BPVC-III規(guī)范，考慮三種載荷組合工況見表3。

表3 載荷組合工況

3 應(yīng)力和變形準(zhǔn)則

3.1 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

根據(jù)ASME BPVC-III規(guī)范第ND、NF分卷的規(guī)定，對(duì)于板殼型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力限值見表4，其中σ1為薄膜應(yīng)力，σ2為彎曲應(yīng)力，S為材料的許用應(yīng)力值，取2/3屈服強(qiáng)度和1/3.5抗拉強(qiáng)度兩者中的較小值。

表4 板殼型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力限值

3.2 螺栓的應(yīng)力限值

根據(jù)ASME BPVC-III規(guī)范第ND、NF分卷的規(guī)定，螺栓的組合應(yīng)力系數(shù)R應(yīng)不大于1，即滿足下式：

(1)

式中：ft為拉伸應(yīng)力；fv為剪應(yīng)力；Ftb為許用拉伸應(yīng)力；Fvb為許用剪應(yīng)力。

螺栓的應(yīng)力限值見表5，其中Su為材料的抗拉強(qiáng)度。

表5 螺栓的應(yīng)力限值

3.3 軸的應(yīng)力和變形限值

對(duì)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，按照材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，軸的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ合成的當(dāng)量應(yīng)力σd應(yīng)不大于許用應(yīng)力，即滿足下式[11]：

σd= (σ2+3τ2)0.5≤0.4σS

(2)

式中：σS為材料的屈服強(qiáng)度。

為防止轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件在地震載荷下因結(jié)構(gòu)變形而發(fā)生摩擦，保證發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性，必須對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行限制。依據(jù)發(fā)電機(jī)的可運(yùn)行性要求，轉(zhuǎn)子與定子間的相對(duì)變形應(yīng)不大于初始?xì)庀兜?0%。

4 計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

4.1 固有頻率

典型的模態(tài)振型見圖2(圖中采用二分之一模型顯示)，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的前10階固有頻率見表6。

圖2 發(fā)電機(jī)典型的模態(tài)振型

階次頻率/Hz主要模態(tài)振型173.728發(fā)電機(jī)整體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)287.665勵(lì)磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(dòng)(局部模態(tài))3113.580發(fā)電機(jī)整體(包括轉(zhuǎn)子)沿X軸軸向振動(dòng)4115.640整體沿Z軸橫向振動(dòng),轉(zhuǎn)子水平一階彎曲5121.760整體沿Y軸垂向振動(dòng),轉(zhuǎn)子垂直一階彎曲6172.230勵(lì)磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(dòng)(局部模態(tài))7185.040勵(lì)磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(dòng)(局部模態(tài))8190.270風(fēng)扇軸向振動(dòng)及勵(lì)磁系統(tǒng)蓋板垂直振動(dòng)(局部模態(tài))9211.590風(fēng)扇軸向振動(dòng)(局部模態(tài))10213.770風(fēng)扇軸向振動(dòng)(局部模態(tài))

4.2 應(yīng)力評(píng)定

圖3提供了發(fā)電機(jī)在A級(jí)、C級(jí)載荷工況下的應(yīng)力(σ1+σ2)云圖，可見最大應(yīng)力都發(fā)生在兩側(cè)的安裝支架上。

圖3 發(fā)電機(jī)的薄膜+彎曲應(yīng)力云圖

發(fā)電機(jī)主要部件的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果分別見表7、表8。數(shù)據(jù)表明，應(yīng)力計(jì)算值都小于應(yīng)力限值，滿足強(qiáng)度要求。

表7 結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

表8 螺栓應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

4.3 軸的強(qiáng)度和變形校核

在C級(jí)載荷工況下，發(fā)電機(jī)軸的最大當(dāng)量應(yīng)力為75 MPa，小于允許值142 MPa，滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)，C級(jí)載荷工況下，轉(zhuǎn)子與定子間的最大相對(duì)變形為0.047 mm，小于允許值0.13 mm，滿足可運(yùn)行性要求。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用有限元法對(duì)某核電站柴油機(jī)輔助給水泵用的1E級(jí)發(fā)電機(jī)進(jìn)行抗震分析，依據(jù)ASME III規(guī)范的要求對(duì)發(fā)電機(jī)的主要部件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，并對(duì)發(fā)電機(jī)軸的強(qiáng)度和變形進(jìn)行校核。分析結(jié)果表明：該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，在地震載荷作用下能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。該分析方法對(duì)核電廠設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震安全評(píng)估有一定的參考價(jià)值。

[1] 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院, 上海核工程研究設(shè)計(jì)院.核設(shè)施部件建造規(guī)則: ASME BPVC-III-2004[S]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2004.

[2] 法國(guó)核島設(shè)備設(shè)計(jì)、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會(huì). 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則: RCC-M-2000[S]. 中科華核電技術(shù)研究院有限公司, 譯. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2000.

[3] 國(guó)家核安全局. 核電廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定: HAF 102-1991[S]. 北京: 國(guó)家核安全局, 1991.

[4] IEEE Power Engineering Society. IEEE Recommended practice for seismic qualification of class 1E equipment for nuclear power generating stations: IEEE Std 344-2004[S]. New York, USA: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2004.

[5] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50267—1997[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1997.

[6] 國(guó)家核安全局.核電廠的抗震設(shè)計(jì)與鑒定: HAD 102/02-1996[S]. 北京: 國(guó)家核安全局, 1996.

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

[8] 楊曉豐, 張勇, 孫柏濤, 等. 核電站用屏蔽泵的抗震力學(xué)性能計(jì)算分析[J]. 世界地震工程, 2007, 23(3): 47-53.

[9] 劉兵山, 黃聰, 顧超, 等. Patran從入門到精通[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2003.

[10] 張永昌. MSC.Nastran有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[11] 劉鴻文. 材料力學(xué)I[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2004.

Seismic Analysis on 1E Class Power Generator for Auxiliary Feed Pump

You Guoying1, Zhang Zhilu1, Liu Yinfang1, Li Yi2

(1. Wuxi Branch, No.703 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Wuxi 214151, Jiangsu Province, China;2. Zhenjiang China Marine-Xianda Generating Co., Ltd., Zhenjiang 212009, Jiangsu Province, China)

Finite element method was adopted to analyze the seismic performance of a 1E class power generator for the diesel engine-driven auxiliary feed pump in a certain nuclear power plant, so as to verify that the power generator can withstand SSE load and maintain its structural and functional integrities. A mechanical model was built for the generator based on pre- and post-treatment software PATRAN, while static mechanical analysis, modal analysis as well as seismic response analysis of the structure were then carried out via finite element analysis software NASTRAN. According to the design specifications, structural stress and displacement were evaluated under various load combinations, such as the gravity, operating load, earthquake load and so on. Results show that the structural design of the power generator satisfies the requirements of relevant standards.

1E class power generator; auxiliary feed pump; seismic analysis; finite element method; stress evaluation

2016-04-11；

2016-05-26

尤國(guó)英(1964—)，男，研究員，主要從事核電站工程設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

E-mail: ygy703@163.com

TM314.2

A

1671-086X(2017)01-0033-04