RIGD單元和SPRS單元對主給水管道解耦模型的影響分析

(中廣核工程設計有限公司,廣東深圳 518057)

0 引言

地震可直接損壞使核電廠達到和維持在安全停堆狀態(tài)所需要的設備；也可間接造成設備故障或引發(fā)內(nèi)部災害。因此，地震設計應確保使電廠達到并維持安全停堆狀態(tài)的安全系統(tǒng)能執(zhí)行其功能，保持其完整性或穩(wěn)定性，且保證足夠的裕度滿足概率安全目標[1-4]。

主給水管道與蒸汽發(fā)生器相連，是壓水堆核電站承壓邊界的組成部分，是第二道放射性屏障保護邊界的重要組成部分。基于此，主給水管道需要進行抗震設計，以滿足主給水管道抗震要求[5-8]。

主給水管道抗震設計要考慮主回路的影響，在項目設計中有兩種方法可供選擇，一種是不與主回路解耦，連著主回路模型一起計算；另一種是與主回路解耦計算，通過在解耦處施加地震接管譜及位移來模擬主回路影響。選擇主給水管道與主回路解耦模型進行分析時，主給水管道管嘴到蒸發(fā)器解耦約束點處單元的模擬需要合理選擇。本文借助有限元分析軟件PIPESTRESS[9]譜分析卡片，分別采用RIGD單元和SPRS單元進行抗震分析，并對抗震分析計算結(jié)果進行對比。

1 主給水管道簡介

主給水系統(tǒng)的主要運行功能是維持蒸汽發(fā)生器液位在其整定值允許的偏差之內(nèi)。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力應能夠適應機組10%負荷階躍變化或每分鐘5%負荷線性變化而不會導致蒸汽發(fā)生器液位產(chǎn)生明顯的偏差[10]。

主給水管線不屬于專設安全系統(tǒng)，但參與反應性控制、余熱排出和放射性物質(zhì)包容三大安全功能的實現(xiàn)。某核電站主給水管線布置模型如圖1所示。

2 主給水管道抗震分析

采用PIPESTRESS有限元軟件對某核電站主給水管道開展抗震分析，對主給水管道管嘴到蒸發(fā)器解耦約束點處的有限元模型分別選用RIGD單元和SPRS單元開展抗震分析，獲得主給水管道的地震響應。

圖1 某核電站主給水管道布置模型

2.1 建立有限元模型

按照圖1所示的主給水管線的尺寸、布置走向、截面參數(shù)、支架圖紙及約束方向、管線材質(zhì)搭建PIPESTRESS模型。

主給水管道管嘴與蒸汽發(fā)生器解耦處理，對主給水管道計算時，通過施加蒸汽發(fā)生器對管道的接管譜模擬動態(tài)效應、通過施加蒸汽發(fā)生器對管道的位移模擬靜態(tài)效應[11]。為了準確模擬阻尼器的動態(tài)效應，按照布置模型，真實地模擬了阻尼器的剛性部分和阻尼部分。管道與貫穿件連接位置采用過渡壁厚建模，盡可能真實模擬管道和貫穿件的連接形式。基于PIPESTRESS軟件建立的某核電站主給水管道模型如圖2所示。

圖2 某核電站主給水管道PIPESTRESS模型

2.2 RIGD單元和SPRS單元介紹

PIPESTRESS軟件通過RIGD卡片定義RIGD單元，該卡片定義了一個足夠剛的、能傳遞位移和轉(zhuǎn)動的直管單元。PIPESTRESS軟件通過SPRS卡片定義SPRS單元，該卡片定義了一個6×6階對角剛度矩陣的結(jié)構(gòu)單元。

(1)RIGD卡片。

RIGD PT=2016 EW=0 DX=-1.7217 DY=-1.7217 DZ=0.0246 MA=0.0555 AL=/rigd/

其中：PT定義節(jié)點號，EW定義焊縫類型，DX/DY/DZ定義各個方向上的位移增量，MA定義集中質(zhì)量，AL定義注釋。

(2)SPRS卡片。

SPRS PT=616

DX=-0.0007 DY=-0.0007 DZ=0.0001

XX=0.7071 XY=-0.7071 XZ=0.0001

AX=4080 AY=2350 AZ=4170

BX=5430 BY=25100 BZ=341200 AL=/sprs/

其中：PT定義節(jié)點號，DX/DY/DZ定義SPRS單元的Z′方向，XX/XY/XZ定義SPRS單元的X′方向，AX/AY/AZ定義SPRS單元的平動剛度，BX/BY/BZ定義SPRS單元的轉(zhuǎn)動剛度，AL定義注釋。

2.3 分析結(jié)果

2.3.1 RIGD單元譜分析結(jié)果

主給水管道管嘴到蒸發(fā)器解耦約束點處選用RIGD單元建模，采用PIPESTRESS軟件開展地震譜分析，得到地震載荷最大響應在阻尼器與管道連接處，對應PIPESTRESS模型中的節(jié)點39，最大地震應力為143.58 MPa,詳見圖3。

圖3 RIGD單元譜分析地震應力分布

2.3.2 SPRS單元譜分析結(jié)果

主給水管道管嘴到蒸發(fā)器解耦約束點處選用SPRS單元建模，采用PIPESTRESS軟件開展地震譜分析，得到地震載荷最大響應在阻尼器與管道連接處，對應PIPESTRESS模型中的節(jié)點39，最大地震應力為137.78 MPa,詳見圖4。

2.4 分析結(jié)果對比

主給水管道管嘴到蒸發(fā)器解耦約束點處分別選用RIGD單元和SPRS單元建模，借助PIPESTRESS軟件開展地震譜分析，獲得主給水管道的地震響應。選用RIGD單元和SPRS單元對地震下應力、結(jié)構(gòu)模態(tài)、地震下閥門加速度和支架反力的影響見表1～4。

通過對表1～4中數(shù)據(jù)進行對比，可得到以下結(jié)論。

(1)主給水管道管嘴到蒸發(fā)器解耦約束點處分別選用RIGD單元和SPRS單元建模,對地震下管道應力影響較小，但對結(jié)構(gòu)模態(tài)、地震下閥門加速度及支架反力影響較大。

(2)工程設計中需要對選用RIGD單元或SPRS單元開展敏感性分析，根據(jù)分析結(jié)果合理選取建模單元。

圖4 SPRS單元譜分析地震應力分布

表1 地震應力對比

表2 模態(tài)對比

表3 地震下閥門加速度對比

表4 地震下支架反力對比

2.5 評價效果

通過開展敏感性分析，合理選取RIGD單元或SPRS單元能獲得更加真實的地震響應，可為核電站管道及物項布置提供數(shù)據(jù)支持，比如：(1)獲取合理的模態(tài)分布，更容易獲得更加真實的動態(tài)載荷，有利于支架設計；(2)獲取更加合理的閥門加速度，有利于閥門布置；(3)獲取更加合理的設備接口載荷，有利于接口設備設計；(4)獲取更加合理的地震響應，有利于整個管系的優(yōu)化設計。

2.6 選取RIGD和SPRS單元方法

在核電管道力學分析過程中，有大量的管道與相連設備或管道需要解耦建模。大多數(shù)情況下，采用的是RIGD單元，但對項目比較關(guān)注的重要管道，需要對解耦單元選取RIGD單元和SPRS單元開展敏感性分析，對兩種單元的計算結(jié)果進行對比，如果兩種單元管道計算結(jié)果接近，由工程師任意選取RIGD單元和SPRS單元開展管道計算；如果計算結(jié)果差異較大，建議采用SPRS單元開展管道計算，以便獲取更加真實的管道應力分布和支架反力。

3 結(jié)語

PIPESTRESS有限元軟件在管道與相連設備或管道解耦建模時，需要開展單元敏感性分析，根據(jù)敏感性分析結(jié)果合理選取RIGD單元或SPRS單元，才能獲得更加真實的管道應力和反力。