核電廠電氣設(shè)備陶瓷部件受風生飛射物的沖擊破壞

呂杰 呂興兵 楊光 許劍 周秋萍

摘要：為研究沿海臺風中的風生飛射物對核電廠電氣設(shè)備的沖擊破壞，以核電廠戶外高壓電氣設(shè)備的陶瓷絕緣材料為研究對象，基于LS-DYNA和HyperMesh，分析陶瓷部件在小球和鋼管打擊下的破壞情況。結(jié)果表明：在受到鋼管垂直打擊時，陶瓷部件很容易發(fā)生破壞;在受到小球沖擊時，陶瓷部件局部表面發(fā)生破壞。進一步計算得到小球?qū)μ沾刹考呐R界破壞沖擊速度，可為后續(xù)設(shè)計和研究提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠;陶瓷部件;風生飛射物;LS-DYNA;沖擊破壞;數(shù)值模擬

中圖分類號：TM216.1;TM623.8

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0052-04

0?引?言

核安全一直是各國家和人民關(guān)注的問題。在我國沿海地區(qū)，臺風登陸頻繁，伴隨臺風產(chǎn)生的飛射物對核電廠電氣設(shè)備的打擊嚴重影響設(shè)備的安全性和可用性。陶瓷支柱絕緣子在核電廠戶外高壓電氣設(shè)備中起電氣絕緣和機械支撐作用，運行中需要滿足電氣絕緣性能和機械性能兩方面的要求。

安全可靠的絕緣子對核電廠戶外電源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。陶瓷絕緣部件是電氣設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，臺風卷帶的飛射物可能會對陶瓷部件產(chǎn)生破壞性影響，從而造成電氣設(shè)備整體損壞甚至人身傷害事故，嚴重影響核電廠甚至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

本文針對某核電廠的陶瓷絕緣支柱進行沖擊分析，在臺風卷帶的不同形狀和不同速度飛射物工況下，模擬陶瓷材料的破壞情況，并研究飛射物沖擊破壞的臨界速度，為加強戶外電氣設(shè)備中陶瓷部件的防護提供指導(dǎo)建議。

1?工程概況與模型建立

1.1?工程概況

由《核電廠安全重要土建結(jié)構(gòu)龍卷風設(shè)計規(guī)定》（NB/T 20360—2015）第7節(jié)可知，典型風生飛射物包括鋼管、汽車和小球3種。根據(jù)核電廠管理規(guī)定，生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)一般不允許運行維修人員的汽車進入，因此本文只考慮鋼管和小球2種典型風生飛射物對核電廠戶外電氣設(shè)備陶瓷部件的影響。根據(jù)《中廣核各廠址超強臺風資料收集及設(shè)計風速專題報告》評估某核電廠廠址氣象參數(shù)，根據(jù)《核電廠安全重要土建結(jié)構(gòu)龍卷風設(shè)計規(guī)定》（NB/T 20360—2015）確定典型風生飛射物尺寸和打擊速度。飛射物參數(shù)見表1，電氣陶瓷絕緣件一般為帶有傘裙的圓柱狀結(jié)構(gòu)。

1.2?模型建立

采用HyperMesh建模，并選擇LS-DYNA作為求解器。陶瓷絕緣子采用六面體網(wǎng)格劃分，并在分析的打擊點位置進行網(wǎng)格局部細分。分析分為2種工況：（1）小球打擊時，實心小球為剛體材料，直接劃分為四面網(wǎng)格;（2）鋼管打擊時，空心圓管采用SHELL單元劃分。

飛射物與陶瓷絕緣子的接觸方式采用Automatic_Surface_To_Surface。由于飛射物可能對實體陶瓷造成破壞并穿透，接觸打擊區(qū)域采用Segment方式設(shè)置。

飛射物打擊陶瓷的有限元模型見圖1。絕緣子固定端約束所有自由度，直接對飛射物施加初始速度。飛射物打擊方向與絕緣子接觸面垂直，鋼管軸向垂直打擊設(shè)為最危險工況。

2?陶瓷絕緣子數(shù)值模擬

2.1?材料本構(gòu)模型

LS-DYNA含有300多種本構(gòu)模型[1]，提供豐富的材料庫。本次陶瓷材料采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERMICS（JH-2）材料模型，其主要用于模擬陶瓷、玻璃或其他脆性材料，可考慮屈服后復(fù)雜的響應(yīng)問題。該本構(gòu)模型的等效應(yīng)力[2-4]為

2.2?參數(shù)確定

JH-2材料模型參數(shù)通過MTS拉壓實驗、Hopkinson桿拉壓實驗、平板沖擊一維應(yīng)變壓縮實驗，以及DOP實驗確定。JH-2模型通過材料強度、壓力和損傷的變化關(guān)系描述完整材料和破碎材料在載荷作用下的響應(yīng)。[5]本次分析中的材料參數(shù)均來自于文獻[3]，見表2，其中：

ε0為準靜態(tài)閾應(yīng)變率;EH為Hugoniot彈性極限;β為彈性能損失轉(zhuǎn)化為流體靜力能的比例;D1為塑性應(yīng)變斷裂參數(shù);D2為塑性應(yīng)變斷裂指數(shù)。

3?仿真分析結(jié)果

3.1?工況1

陶瓷絕緣件受到實體小球打擊時，小球撞擊陶瓷的瞬時應(yīng)力云圖見圖2。陶瓷受小球撞擊的瞬時最大等效應(yīng)力為602.8 MPa，陶瓷表面發(fā)生破壞，小球打擊點附近部分陶瓷單元的應(yīng)力變化曲線見圖3。小球打擊陶瓷后反向回彈，小球在z方向上的速度變化曲線見圖4。由此可以看出：小球打擊陶瓷后的回彈速度約為20 m/s，該速度還可能對附近設(shè)備造成破壞。在受小球打擊后，沖擊應(yīng)力波迅速沿陶瓷絕緣件軸向傳播，陶瓷絕緣件不同區(qū)域的等效應(yīng)力曲線見圖5。

元的等效應(yīng)力曲線。因為應(yīng)力波在固定端發(fā)生反射，所以固定端附近陶瓷部件的等效應(yīng)力比較大。

當v=14 m/s和v=13 m/s時，打擊區(qū)域單元的等效應(yīng)力曲線分別見圖6和7，可見當小球速度降到13 m/s時，陶瓷部件受到的沖擊應(yīng)力大大降低。

為避免小球沖擊造成的破壞，必須對電氣設(shè)備的陶瓷部件進行防護，以降低小球的沖擊速度。

3.2?工況2

陶瓷絕緣子受鋼管打擊時，考慮最惡劣的打擊條件，即鋼管垂直打擊陶瓷部件時，其破壞情況見圖8。由于鋼管的質(zhì)量更大且速度更快，因此對陶瓷破壞非常大，陶瓷部件分別在打擊點、中間部位以及固定端發(fā)生斷裂。在2.6 ms時，沖擊接觸區(qū)域產(chǎn)生裂紋;在2.8 ms時，裂紋擴散造成自由端斷裂;隨著應(yīng)力波的軸向傳播，在陶瓷管柱中間和固定端也產(chǎn)生裂紋;在3.2 ms時，中間和固定端區(qū)域也發(fā)生斷裂。2.6、2.8、3.0和3.2 ms時陶瓷部件的破壞情況分別見圖9～12。

4?結(jié)?論

借助LS-DYNA對電氣設(shè)備中的陶瓷部件進行沖擊響應(yīng)分析，模擬在臺風惡劣環(huán)境下，風生飛射物對陶瓷部件的破壞形態(tài)。分析結(jié)果表明：在風生飛射物的沖擊下，陶瓷設(shè)備發(fā)生一定的破壞，特別是在鋼管的打擊下，陶瓷設(shè)備發(fā)生斷裂，嚴重影響電氣設(shè)備的正常運行。

由小球打擊陶瓷部件分析結(jié)果可以看出，在受到小球打擊時，陶瓷部件表面發(fā)生破壞，小球以接近20 m/s的速度反彈。因此，在對陶瓷部件進行保護時必須考慮小球沖擊反彈造成的次生破壞。模擬分析同時得到小球打擊造成電氣陶瓷絕緣件的臨界破壞速度為13 m/s。

根據(jù)鋼管打擊陶瓷部件的分析結(jié)果可知：由于鋼管質(zhì)量更大，當垂直打擊陶瓷部件時，會嚴重破壞陶瓷部件;在鋼管打擊條件下，陶瓷表面容易產(chǎn)生裂紋，裂紋將隨著應(yīng)力波的傳播不斷擴展，并最終導(dǎo)致陶瓷管柱發(fā)生斷裂。

參考文獻：

[1]?馮曉偉， 李俊承， 常敬臻， 等. 氧化鋁陶瓷受沖擊壓縮破壞的細觀機理研究[J]. 兵工學(xué)報， 2017， 38（12）：2472-2479. DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.022.

[2]?任會蘭， 樹學(xué)鋒， 李平. 強沖擊載荷下氧化鋁陶瓷破壞特性的數(shù)值模擬及實驗研究[J]. 中國科學(xué)：G輯 物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)， 2009， 39（9）：1221-1230. DOI：10.1007/S11433-009-0267-Y.

[3]?CRONIN D S， BUI K， KAUFMANN C， et al. Implementation and validation of Johnson-Holmquist ceramic material model in LS-DYNA[C]// Proceedings of 4th European LS-DYNA Users Conference. Ulm：DYNAmore Co.， 2003：47-60.

[4]?馮曉偉. 平板沖擊加載下陶瓷材料的破壞力學(xué)行為研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)， 2012：6-7.

[5]?常敬臻， 劉占芳， 李英華， 等. 沖擊壓縮下A95陶瓷動態(tài)力學(xué)特性數(shù)值模擬[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報， 2007， 25（4）：616-619. DOI：10.3969/j.issn.1673-2812.2007.04.031.

（編輯?武曉英）