核電廠風(fēng)冷冷水機(jī)組框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與評定

吳祖勝，彭翠玲

（中廣核研究院有限公司，廣東省 深圳市 518031）

0 引言

中央冷凍水系統(tǒng)(virtual workspace service，VWS)中的風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組(簡稱風(fēng)冷冷水機(jī)組)主要功能是為VWS提供冷凍水。風(fēng)冷冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)，除了設(shè)備自身產(chǎn)生的載荷外，還會受環(huán)境載荷的影響，如風(fēng)載和地震載荷等。為了保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對其在各種工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析，以確保在各種載荷組合工況下，機(jī)組結(jié)構(gòu)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

針對某核電廠風(fēng)冷冷水機(jī)組模塊，對其框架結(jié)構(gòu)和錨固件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和抗震分析，證明機(jī)組模塊在各種載荷組合下仍能保持足夠的強(qiáng)度和完整性。

1 機(jī)組結(jié)構(gòu)介紹

某核電廠風(fēng)冷冷水機(jī)組是由 2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單模塊機(jī)組組合而成，共同安裝在整體槽鋼基座上。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]，機(jī)組模塊由機(jī)架、底座、蒸發(fā)器、儲液器、控制箱、強(qiáng)電箱、冷凝器、壓縮機(jī)、保溫箱、軸流風(fēng)機(jī)及總裝配件等設(shè)備組成，機(jī)組模塊安裝在廠房的屋頂。

1.1 框架結(jié)構(gòu)參數(shù)

本次計(jì)算只關(guān)注整體槽鋼基座以及底座與機(jī)架組成的機(jī)組框架結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度，只考慮設(shè)備的重量和重心對框架結(jié)構(gòu)分析的影響，設(shè)備和面板的剛度均忽略不計(jì)，這種簡化是偏于保守的。

整體槽鋼基座與機(jī)組框架主要由不銹鋼鋼板折彎件和型鋼組成，機(jī)組框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of unit fram

1.2 框架材料力學(xué)特性

機(jī)組框架結(jié)構(gòu)材料型號為304，均為線性支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，材料的許用應(yīng)力如表1所示。

表1 304材料屬性Tab. 1 Material properties of 304

1.3 框架結(jié)構(gòu)載荷

1.3.1 設(shè)備所受載荷

1）自重。

在框架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，相關(guān)設(shè)備均簡化成為質(zhì)量點(diǎn)。

2）風(fēng)載。

機(jī)組考慮基本風(fēng)載和臺風(fēng)風(fēng)載的作用。根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，風(fēng)壓引起的作用力為：基本風(fēng)速產(chǎn)生的作用力FJ= 120550 N；臺風(fēng)風(fēng)速產(chǎn)生的作用力FT= 230274 N。

計(jì)算時(shí)分別取模型中x、z軸方向?yàn)轱L(fēng)壓作用方向。

3）地震載荷。

機(jī)組安裝在核電廠輔助廠房屋頂，安裝高度為17.678 m，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中對地震載荷的規(guī)定，在機(jī)組計(jì)算中水平地震加速度取值為 0.227g，g=9.8m/s2為重力加速度。

1.3.2 設(shè)備載荷組合與適用的準(zhǔn)則級別

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中AA-4212以及文獻(xiàn)[9]的要求，機(jī)組框架適用的載荷組合與準(zhǔn)則級別如表2所示。

表2 工況與載荷組合Tab. 2 Working condition and load combination

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中AA-4300的要求，基本最大應(yīng)力理論的彈性分析適用于線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對于線性支撐系統(tǒng)許用應(yīng)力如表3所示。

表3 線性支撐許用應(yīng)力Tab. 3 Linear support allowable stress

在對機(jī)組框架結(jié)構(gòu)的校核中，梁受到軸向拉伸與彎曲組合應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中NF3322的要求，按照表 4中的評定準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力校核。

表4 梁單元評定準(zhǔn)則Tab. 4 Criteria for beam element evaluation

框架結(jié)構(gòu)連接螺栓及地腳螺栓為 8.8級M20的螺栓，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中NF3324.6的要求對螺栓進(jìn)行校核：螺栓抗拉強(qiáng)度 Su、螺栓屈服強(qiáng)度Sy、螺栓應(yīng)力截面積A、螺栓所受軸向拉力T、螺栓所受最大剪切力 V、軸向應(yīng)力 ft=T/A、剪應(yīng)力fv=V/A。

對于碳鋼螺栓，其許用拉應(yīng)力 Ftb=0.5Su=400 MPa；許用剪應(yīng)力

2 計(jì)算模型介紹

2.1 模型單元

在建立的機(jī)組框架的有限元計(jì)算模型中，采用 beam188單元模擬機(jī)組的框架結(jié)構(gòu)，采用mass21單元模擬各設(shè)備的質(zhì)量和重心位置，質(zhì)量單元與框架結(jié)構(gòu)之前采用柔性約束方程進(jìn)行連接，不考慮設(shè)備本身剛度的影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的模型中忽略加強(qiáng)角的影響。模型簡化會使計(jì)算結(jié)果更趨于保守。

2.2 模型和邊界條件

建模型時(shí)，在整體槽鋼基座與機(jī)組框架底座之間建立梁單元模擬連接螺栓。計(jì)算模型的邊界條件為：整體槽鋼基座螺栓所在位置的節(jié)點(diǎn)施加x、y、z 這 3個(gè)平動方向的自由度約束，整體槽鋼基座施加y方向位移約束。機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。

圖2 機(jī)組的有限元模型Fig. 2 Finite element model of air-cooled unit

3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù) 1.3.1節(jié)關(guān)于風(fēng)載的描述，將風(fēng)載引起的作用力均勻施加在框架結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面，水平地震作用力按照 2個(gè)不同方向和自重載荷進(jìn)行疊加。然后根據(jù)文獻(xiàn)[8]中關(guān)于載荷組合的要求，提取結(jié)構(gòu)在異常工況和事故工況下的軸力和彎矩，并計(jì)算出梁對應(yīng)的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，按照表4進(jìn)行校核。

通過對計(jì)算結(jié)果的比較，在各種組合工況下，框架結(jié)構(gòu)立柱和兩端橫梁受力比較大，更容易遭到破壞，如圖3所示的SEC.1、SEC.2、SEC.3處，屬于框架結(jié)構(gòu)中較危險(xiǎn)部位。

圖3 機(jī)組部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Parts schematic diagram of unit module

4 結(jié)果評定

4.1 框架結(jié)構(gòu)校核

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中對線性支撐的要求，對不同截面形狀的梁單元分別進(jìn)行強(qiáng)度評定。D級準(zhǔn)則下根據(jù)表 2分別對自重+地震的 D(一)、自重+臺風(fēng)的D(二)這2種載荷組合進(jìn)行評定。表5僅列出了結(jié)構(gòu)中受力比較大的SEC.1、SEC.2、SEC.3的梁單元在3種載荷組合下的強(qiáng)度評定。

表5 梁SEC.1、SEC.2、SEC.3強(qiáng)度評定Tab. 5 Strength evaluation of the beam SEC.1, SEC.2 and SEC.3

4.2 螺栓校核

取螺栓在各種工況下最大作用力來校核螺栓強(qiáng)度，表6為校核整體槽鋼基座與機(jī)組框架底座之間連接螺栓強(qiáng)度及校核地腳螺栓強(qiáng)度。

由表6可見，連接螺栓和地腳螺栓強(qiáng)度滿足1.3.2節(jié)中螺栓校核要求。

表6 螺栓評定Tab. 6 Evaluation of bolt

5 結(jié)論

本文通過計(jì)算，驗(yàn)證了該風(fēng)冷冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和螺栓強(qiáng)度在各種載荷工況下均能滿足相關(guān)要求。通過對核電廠風(fēng)冷冷水機(jī)組框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，對機(jī)組框架設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：

1）機(jī)組設(shè)備布置時(shí)要均勻布置，避免設(shè)備重量集中在某一些結(jié)構(gòu)上，盡可能的降低整個(gè)機(jī)組的重心。

2）從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)上，機(jī)組框架采用高強(qiáng)度的型鋼整體焊接，因此機(jī)組具備較好的剛性，建議盡量使機(jī)組結(jié)構(gòu)更緊湊。