某研究堆轉(zhuǎn)接筒裝置抗震分析與評定

廖佳濤，偶建磊，吳瑞，吳偉

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某研究堆轉(zhuǎn)接筒裝置抗震分析與評定

廖佳濤，偶建磊，吳瑞，吳偉

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

某研究堆的轉(zhuǎn)接筒裝置主要實現(xiàn)乏燃料組件等物項在堆芯和燃料水池間的轉(zhuǎn)運(yùn)，該裝置為抗震I類設(shè)備，在設(shè)計時需滿足抗震要求。利用有限元分析軟件ANSYS對轉(zhuǎn)接筒裝置進(jìn)行了建模和模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果采用反應(yīng)譜法進(jìn)行了運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）及安全停堆地震（SSE）下的動力特性應(yīng)力分析計算，并按照RCC-M規(guī)定進(jìn)行了各工況下的載荷組合，最后依據(jù)RCC-M中的應(yīng)力評價準(zhǔn)則進(jìn)行了各工況下的應(yīng)力評定，結(jié)果表明轉(zhuǎn)接筒裝置滿足抗震設(shè)計要求，具有良好的可靠性。

轉(zhuǎn)接筒裝置；乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)；反應(yīng)譜法；抗震分析

某研究堆壓力容器斜孔道是乏燃料組件等物項進(jìn)出反應(yīng)堆堆芯的通道，轉(zhuǎn)接筒裝置的轉(zhuǎn)接筒筒體設(shè)置在壓力容器斜孔道下方，用于接收從壓力容器卸出的乏燃料組件，轉(zhuǎn)接筒的傳動機(jī)構(gòu)可帶動轉(zhuǎn)接筒筒體在轉(zhuǎn)接筒裝置的限位架滑槽內(nèi)進(jìn)行一定角度的擺動，筒體擺動到指定位置后，轉(zhuǎn)接筒傳動機(jī)構(gòu)可自鎖，使筒體喇叭口從堆芯方向擺動至朝向燃料水池側(cè)，最后通過燃料組件吊裝工具將轉(zhuǎn)接筒內(nèi)的乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)至燃料水池中貯存；乏燃料組件從燃料水池轉(zhuǎn)運(yùn)至堆芯的工藝與其相反。

轉(zhuǎn)接筒裝置安裝在反應(yīng)堆壓力容器外的堆水池內(nèi)，而堆水池與燃料水池為連通狀態(tài)，若轉(zhuǎn)接筒裝置在地震等工況下發(fā)生結(jié)構(gòu)完整性失效進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備局部和整體的跌落，可能導(dǎo)致堆水池泄露、造成乏燃料水池內(nèi)的乏燃料組件裸露乃至放射性外泄等嚴(yán)重后果，故轉(zhuǎn)接筒裝置在地震工況下的安全性必須得到保證；同時轉(zhuǎn)接筒裝置為乏燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，故要求其抗震類別為抗震Ⅰ類。

抗震分析目的在于考核轉(zhuǎn)接筒裝置在運(yùn)行基準(zhǔn)地震事故、安全停堆地震事故時及事故后仍能保持其結(jié)構(gòu)的完整，并能夠執(zhí)行安全功能。分析中應(yīng)用線性彈性有限元分析方法計算轉(zhuǎn)接筒裝置的振動模態(tài)，并根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，使用反應(yīng)譜法分析在承受地震載荷及設(shè)計組合載荷共同作用下的應(yīng)力，最后根據(jù)RCC-M規(guī)范做出應(yīng)力評定和強(qiáng)度校核。

1 轉(zhuǎn)接筒裝置結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)接筒裝置為立式框架結(jié)構(gòu)，由傳動裝置、門型支架、拉桿固定架、拉桿、轉(zhuǎn)接筒、限位架、底部固定架、滑柱及滑柱支架、筋板等構(gòu)成，如圖1所示，其中門型支架、底部固定架、滑柱支架與堆水池池底鋼敷面焊接連接，而拉桿固定架、筋板與堆水池池壁鋼敷面焊接連接。所用材料均為06Cr18Ni11Ti。

1.傳動裝置 2.門型支架 3.拉桿 4.拉桿固定架 5.轉(zhuǎn)接筒 6.底部固定架 7.滑柱及滑柱支架8.限位架 9.筋板

2 有限元單元建立

轉(zhuǎn)接筒裝置的主體傳動結(jié)構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)接筒位于限位架最左端或最右端，并處于自鎖狀態(tài)，在有限元單元建立時做出了以下簡化：轉(zhuǎn)接筒固定在軸負(fù)方向（轉(zhuǎn)接筒筒體朝向壓力容器斜孔道一側(cè)）；轉(zhuǎn)運(yùn)物項放置在轉(zhuǎn)接筒筒體內(nèi)，轉(zhuǎn)運(yùn)物項與轉(zhuǎn)接筒筒體固定約束。

門型支架、拉桿、拉桿固定架、轉(zhuǎn)接筒采用BEAM 188單元進(jìn)行建模；筋板、底部固定架、支撐板及滑柱采用SHELL 181單元進(jìn)行建模；傳動裝置及轉(zhuǎn)運(yùn)物項采用MASS 21單元在其重心處進(jìn)行建模。使用BEAM 188單元時賦予與實際結(jié)構(gòu)相同的截面及力學(xué)參數(shù)；使用SHELL 181單元時采用與實際厚度相同的實常數(shù)；使用MASS 21質(zhì)量單元時在重心節(jié)點處建立與實際質(zhì)量相同的質(zhì)量單元。鉸接區(qū)域使用ENDRELEASE命令釋放ROTX自由度，即繞軸旋轉(zhuǎn)。

裝置底部各支架與堆水池池底鋼敷面進(jìn)行焊接，門型支架水平方向伸出的拉桿固定架及筋板與堆水池池壁鋼敷面進(jìn)行焊接，標(biāo)高分別為-10.3 m、-4.94 m、-3.94 m、-2.94 m、-1.94 m及-0.52 m，焊接處6個自由度全部約束固定。

3 抗震分析

3.1 靜力學(xué)分析

轉(zhuǎn)接筒裝置及轉(zhuǎn)運(yùn)物項總質(zhì)量為2755.3 kg，在重力加速度9810 mm/s2的作用下，計算得出轉(zhuǎn)接筒裝置的最大變形量為2.73 mm；轉(zhuǎn)接筒裝置支架及拉桿（BEAM 188單元）的最大應(yīng)力強(qiáng)度為18.559 MPa；支撐及筋板（SHELL 181單元）的最大應(yīng)力強(qiáng)度為11.811 MPa。

3.2 模態(tài)分析

轉(zhuǎn)接筒裝置模態(tài)分析的目的是確定第一階固有頻率是否大于33 Hz，從而確定是利用等效靜力方法還是動力分析方法來進(jìn)行后續(xù)計算。使用Block Lanczos法提取模態(tài)，提取模態(tài)階數(shù)為前2000階，得出第1階頻率為3.69 Hz、第37階頻率為32.35 Hz、第38階頻率為33.38 Hz，前2000階、、方向模態(tài)參與質(zhì)量均大于總質(zhì)量的90%。通過模態(tài)分析結(jié)果方向的第1階頻率為3.68593、方向的第1階頻率為3.68593、方向（豎直方向）的第1階頻率為3.68593，均小于33 Hz，轉(zhuǎn)接筒裝置不能看作剛性結(jié)構(gòu)，不能采用常用的等效靜力法解決，而采用反應(yīng)譜法（多點譜法）進(jìn)行分析。

3.3 抗震計算

在進(jìn)行地震響應(yīng)動態(tài)分析時，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析，反應(yīng)譜法是一種將模態(tài)分析的結(jié)果與已知的反應(yīng)譜聯(lián)系起來計算模型的位移和應(yīng)力的分析技術(shù)，主要用于確定結(jié)構(gòu)對地震等隨機(jī)載荷或隨時間變化載荷的動力響應(yīng)情況；采用平方和開平方法（SRSS）對模型每個模態(tài)的反應(yīng)值（加速度、位移、力、應(yīng)力等）進(jìn)行組合，確定地震載荷下的動態(tài)反應(yīng)值。

（1）SSE作用下應(yīng)力計算

在SSE作用下，應(yīng)力分析時取阻尼比為2%。轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖2所示，支架及拉桿（BEAM 188單元）的最大應(yīng)力強(qiáng)度為78.652 MPa，支撐及筋板（SHELL 181單元）的最大應(yīng)力強(qiáng)度為52.402 MPa。

（2）OBE作用下地震計算

在OBE作用下，應(yīng)力分析時取阻尼比為2%，、、方向的樓層反應(yīng)譜譜值是SSE譜值的0.5倍，轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖3所示，支架及拉桿（BEAM 188單元）最大應(yīng)力強(qiáng)度為39.326 MPa，支撐及筋板（SHELL 181單元）最大應(yīng)力強(qiáng)度為26.201 MPa。

圖2 SSE作用下轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布

圖3 OBE作用下轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布

4 應(yīng)力評定

4.1 各工況下載荷組合方式與應(yīng)力限值

根據(jù)以上分析結(jié)果，參照RCC-M中E3132、E3221篇，轉(zhuǎn)接筒裝置在試驗工況、正常工況、緊急工況下的載荷組合方式和應(yīng)力限值如表1所示。為保證得到的最大應(yīng)力，在對不同載荷疊加前需對各工況下載荷結(jié)果求絕對值。

表1 不同準(zhǔn)則級別的應(yīng)力限值

σ為總體薄膜應(yīng)力，等于由壓力或其他給定的機(jī)械載荷在所考慮的截面上產(chǎn)生的平均應(yīng)力；σ為局部薄膜應(yīng)力；σ為彎曲應(yīng)力，等于所考慮的截面上的應(yīng)力與薄膜應(yīng)力的最大差值，這類應(yīng)力僅考慮由壓力及其他機(jī)械載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，并在不連續(xù)區(qū)域外進(jìn)行求解；S為材料的疲勞強(qiáng)度值；為材料的基本許用應(yīng)力值。

依據(jù)RCC-M附錄Z可知，Z8CNT18-11（國標(biāo)牌號06Cr18Ni11Ti）不銹鋼材料在50℃時，基本許用應(yīng)力＝129 MPa、疲勞強(qiáng)度S＝198 MPa、基本許用應(yīng)力強(qiáng)度S＝138 MPa。

在本計算中工字鋼及連桿采用BEAM 188單元，該單元不能直接顯示最大應(yīng)力，因此需提取BEAM 188單元表進(jìn)行運(yùn)算得出最大應(yīng)力，其中SMAX＝Maximum Stress (direct Stress＋bending Stress)；SDIR（SMISC 31）為軸向應(yīng)力，SDIR＝F（式中：F為軸向分力；A為梁單元截面積）；SBYT（SMISC 32）和SBZT（SMISC 34）為M和M對應(yīng)最大的彎曲應(yīng)力。為得到最大SMAX，在SDIR和SBYT及SBZT相加前均對其取絕對值；此計算模型根據(jù)不同單元來確定其最大應(yīng)力，最后取所有單元最大應(yīng)力值作為最大值。BEAM 188單元為線單元，而SHELL 181單元為單層殼單元，無法通過路徑映射來求取取薄膜應(yīng)力，根據(jù)RCC-M對薄膜應(yīng)力的規(guī)定等于由壓力或其他給定的機(jī)械載荷在所考慮的截面上產(chǎn)生的平均應(yīng)力，且根據(jù)ANSYS element library規(guī)定對于BEAM 188單元SDIR應(yīng)力（軸向應(yīng)力）可看作為薄膜應(yīng)力σ，SDIR＋SBYT為方向（節(jié)點坐標(biāo)系）節(jié)點最大應(yīng)力（σ＋σ），SDIR＋SBZT為Z方向（節(jié)點坐標(biāo)系）節(jié)點最大應(yīng)力（σ＋σ）。對于SHELL 181單元，根據(jù)ANSYS element library中對SHELL 181單元的規(guī)定，可通過提取單元表獲得SHELL 181單元的各方向的薄膜應(yīng)力σ及薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力（σ＋σ）。SHELL181薄膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力的提取如表2所示。

表2 SHELL 181單元表提取

4.2 各工況下應(yīng)力評定

（1）試驗工況的應(yīng)力評定

根據(jù)重力作用下的應(yīng)力分析，經(jīng)計算轉(zhuǎn)接筒裝置BEAM 188單元的最大應(yīng)力強(qiáng)度為18.559 MPa，SHELL 181單元的最大應(yīng)力強(qiáng)度為11.811 MPa，均小于材料的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度138 MPa，滿足要求；依據(jù)RCC-M中的應(yīng)力評價準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)接筒裝置在試驗工況下的應(yīng)力評定結(jié)果如表3所示。

（2）正常工況的應(yīng)力評定

正常工況下載荷組合為轉(zhuǎn)接筒自重＋轉(zhuǎn)運(yùn)物項自重＋OBE，在此載荷組合工況下轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖4所示，BEAM 188單元的最大應(yīng)力強(qiáng)度為38.376 MPa，SHELL 181單元的最大應(yīng)力強(qiáng)度為24.383 MPa，均小于材料的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度138 MPa，滿足要求；依據(jù)RCC-M中應(yīng)力評價準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)接筒裝置在正常工況下的應(yīng)力評定結(jié)果如表4所示。

（3）緊急工況下的應(yīng)力評定

緊急工況下載荷組合為轉(zhuǎn)接筒自重+轉(zhuǎn)運(yùn)物項自重＋SSE，在此載荷工況下轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖5所示，BEAM 188單元最大應(yīng)力強(qiáng)度為77.669 MPa，SHELL 181單元最大應(yīng)力強(qiáng)度為50.584 MPa，均小于材料的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度138 MPa，滿足要求；依據(jù)RCC-M中的應(yīng)力評價準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)接筒裝置在緊急工況下應(yīng)力評定結(jié)果如表5所示。

圖4 正常工況下轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布

圖5 緊急工況下轉(zhuǎn)接筒裝置最大應(yīng)力強(qiáng)度分布

表5 在緊急工況下的應(yīng)力評定結(jié)果（單位：MPa）

5 結(jié)論

抗震分析結(jié)果表明：

（1）轉(zhuǎn)接筒裝置在各工況下的最大應(yīng)力強(qiáng)度小于許用應(yīng)力強(qiáng)度值；

（2）在各工況下的應(yīng)力小于RCC-M要求的應(yīng)力限值。

因此轉(zhuǎn)接筒裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足抗震要求。

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Seismic Analysis and Evaluation of a New Type Research Reactor’S Transfer Cylinder

LIAO Jiatao，OU Jianlei，WU Rui，WU Wei

( NPIC, Chengdu 610041, China )

The transfer cylinder of a research reactor mainly realizes the transportation of the spent fuel and other material between the reactor core and the spent fuel pool. The device is a seismic category I equipment, and it needs to meet the seismic requirements in the design.In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to model and analyze the transfer cylinder. according to the modal analysis results, the dynamic characteristics stress analysis of the operating reference earthquake ( OBE ) and the safety shutdown earthquake ( SSE ) is carried out by using the response spectrum method, and the working condition combination according to RCC-M standard, finally the stress evaluation under different working conditions is carried out according to the stress evaluation criterion in RCC-M, the results show that the transfer cylinder meets the requirements of seismic design and has good reliability.

transfer cylinder device；spent fuel transfer；theresponsespectrum analysis；seismic analysis

TL351+.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.005

1006－0316 (2018) 03－0018－05

2017－06－26

廖佳濤（1986－），男，四川樂山人，碩士研究生，助理研究員，主要從事反應(yīng)堆運(yùn)行與維護(hù)專業(yè)工作。