核電廠關(guān)鍵設(shè)備事故工況下密封性能研究

李 華，霍嘉杰，趙英昆，包博宇，晉文娟

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠安全殼的密封性和安全性尤為重要［1，2］。相對(duì)于其他安全殼承壓邊界設(shè)備，人員閘門的尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可作為安全殼承壓邊界中的設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)分析［3］?？紤]到人員和其他小型設(shè)備可以通過人員閘門進(jìn)入安全殼，人員閘門也同樣承擔(dān)著包容放射性物質(zhì)泄漏的作用。

人員閘門作為安全殼壓力邊界的一部分，其密封性能和功能正常對(duì)安全殼的意義非常重大［4，5］?？紤]到安全殼內(nèi)部和外部環(huán)境的隔離要求，人員閘門也必須同時(shí)具備安全殼所要求的密封性和安全性。作為第三道安全屏障的一部分，人員閘門在事故工況下具有防止放射性物質(zhì)泄漏的功能。因此，在事故工況下，人員閘門密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)核電廠的安全具有十分重要的意義。同時(shí)，本文對(duì)核電廠干法貯存容器中密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 人員閘門模型建立

1.1 幾何模型

人員閘門主要由承壓邊界和內(nèi)部傳動(dòng)設(shè)備等組成，本文進(jìn)行密封性能研究時(shí)，主要考慮主體承壓部件和相關(guān)密封結(jié)構(gòu)。人員閘門承壓邊界主要有貫穿筒節(jié)、內(nèi)外筒節(jié)和門框門板等，貫穿筒節(jié)由四周混凝土結(jié)構(gòu)固定在安全殼上，并與安全殼內(nèi)側(cè)的鋼襯里焊接密封。門框設(shè)置于筒節(jié)兩端，朝向堆芯的承壓門。承壓門上裝有雙道硅橡膠密封圈，通過鎖緊結(jié)構(gòu)的4根鎖緊軸銷將門壓在門框上實(shí)現(xiàn)密封。

本文計(jì)算中，將人員閘門主要承壓部件和鎖緊機(jī)構(gòu)外的其他內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量均攤在筒節(jié)和門板上，不建立實(shí)體模型，以簡(jiǎn)化整體模型，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果保守可靠。人員閘門內(nèi)筒節(jié)和外筒節(jié)結(jié)構(gòu)模型如圖1和圖2所示。

圖1 人員閘門內(nèi)筒節(jié)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of internal sleeve of personnel air lock

圖2 人員閘門外筒節(jié)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of external sleeve of personnel air lock

1.2 載荷及位移邊界條件

根據(jù)人員閘門的幾何結(jié)構(gòu)，本文采用SOL?ID185 單元建立內(nèi)筒節(jié)和外筒節(jié)主要承壓部件、密封門以及鎖緊軸銷的模型。由于人員閘門貫穿筒節(jié)部分內(nèi)嵌于安全殼混凝土中，該部分可認(rèn)為剛性固定，因此，在內(nèi)、外筒節(jié)模型中，對(duì)與安全殼連接處筒體邊界施加剛性約束。

在事故工況下，為了保障安全殼結(jié)構(gòu)的完整性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)審查大綱［6］，需考慮的載荷有自重載荷、安全殼內(nèi)壓力載荷和SSE 地震載荷等。同時(shí)，人員閘門不僅在反應(yīng)堆運(yùn)行或熱停堆時(shí)需要滿足人員和小型設(shè)備通過的要求，還要考慮在事故工況下人員緊急撤離的要求。即該過程中人員和小型設(shè)備產(chǎn)生的載荷同樣需要考慮在各工況計(jì)算中。

人員閘門承壓門門體位于堆芯側(cè)，開啟方向面向堆芯，通過門板上鎖緊結(jié)構(gòu)鎖緊軸銷將門壓緊，事故工況下，安全殼內(nèi)部為正壓，門體處于壓緊狀態(tài)。在壓力作用下，門板中心將向外側(cè)凸起產(chǎn)生變形，同時(shí)壓緊在門框上的門板邊緣部分向堆芯側(cè)翹起，導(dǎo)致門板密封圈處與門框產(chǎn)生分離趨勢(shì)。本文模型將門體與門框邊線接觸處節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)方向的位移進(jìn)行耦合。同時(shí)，將鎖緊軸銷分別與門體和門框連接處節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)方向的位移進(jìn)行耦合。人員閘門內(nèi)筒節(jié)的有限元模型和邊界條件如圖3所示，外筒節(jié)的有限元模型及邊界條件如圖4所示。

圖3 人員閘門內(nèi)筒節(jié)有限元模型Fig.3 ANSYS model of personnel air lock internal sleeve

圖4 人員閘門外筒節(jié)有限元模型Fig.4 ANSYS model of personnel air lock external sleeve

為了保證事故工況下放射性物質(zhì)不外泄，人員閘門有聯(lián)鎖設(shè)定要求，即保證貫穿安全殼內(nèi)外的兩個(gè)門不能同時(shí)打開，進(jìn)而導(dǎo)致在分析其密封性過程中需要考慮多種工況，主要包括內(nèi)、外門分別只有一側(cè)打開時(shí)和二者同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)3 種工況。事故工況下，當(dāng)只有安全殼內(nèi)的門處于打開狀態(tài)時(shí)，人員閘門外筒節(jié)承受的內(nèi)壓為0.42 MPa；當(dāng)只有安全殼外的門處于打開狀態(tài)時(shí)，人員閘門內(nèi)筒節(jié)承受的外壓為0.42 MPa；當(dāng)兩門均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，內(nèi)筒節(jié)外表面亦承受安全殼內(nèi)壓力的作用，為0.42 MPa。本文事故工況計(jì)算中采用的地震載荷樓層反應(yīng)譜水平方向數(shù)值見表1，豎直方向采用的反應(yīng)譜數(shù)值見表2。

表2 豎直方向樓層反應(yīng)譜數(shù)值Table 2 Floor response spectrum values in vertical direction

2 人員閘門抗震計(jì)算

在對(duì)人員閘門進(jìn)行事故工況下的密封性研究時(shí)，本文需要同時(shí)考慮多種載荷疊加，尤其是事故工況下的SSE 地震載荷。進(jìn)行抗震計(jì)算前，首先需要對(duì)人員閘門進(jìn)行模態(tài)分析，本文采用Block Lanczos 方法對(duì)人員閘門整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到第一階頻率為49 Hz，陣型如圖5所示。

圖5 人員閘門整體結(jié)構(gòu)一階陣型Fig.5 First order formation of overall structure of personnel air lock

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，人員閘門的第一階頻率大于樓層反應(yīng)譜的截?cái)囝l率，因此，在計(jì)算中可以采用樓層反應(yīng)譜的零周期加速度進(jìn)行抗震計(jì)算［6］。因此，本文在研究事故工況人員閘門的密封性能時(shí)，可采用等效靜力方法考慮事故工況下的地震載荷對(duì)人員閘門各結(jié)構(gòu)件密封性的影響。

3 人員閘門門板密封性分析

人員閘門承壓門門板上裝有雙道硅橡膠密封圈，通過鎖緊機(jī)構(gòu)的4根鎖緊軸銷將門壓在門框上實(shí)現(xiàn)密封。在事故工況下，無論承受外壓還是內(nèi)壓，均可能導(dǎo)致門板與門框邊緣發(fā)生分離，本節(jié)通過計(jì)算事故工況下門板與門框的軸向相對(duì)位移對(duì)密封性進(jìn)行分析，研究事故工況下各種情況時(shí)人員閘門的密封性能。

3.1 內(nèi)筒節(jié)門板密封性分析

事故工況下，當(dāng)人員閘門只有安全殼內(nèi)的門打開時(shí)，內(nèi)筒節(jié)的內(nèi)部和外部所受壓力相同，因此，計(jì)算中只考慮其自重和SSE地震載荷的作用；當(dāng)人員閘門內(nèi)門關(guān)閉，外門打開時(shí)，內(nèi)筒節(jié)在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的外表面受到壓力作用，在承受自重載荷、SSE地震載荷的同時(shí)還承受外壓載荷作用；當(dāng)人員閘門內(nèi)門和外門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，內(nèi)筒節(jié)同時(shí)承受自重、SSE地震和外壓載荷作用。在內(nèi)筒節(jié)密封性分析時(shí)，本文取3種情況中能包絡(luò)所有載荷工況的情況進(jìn)行計(jì)算分析，即上述所有載荷疊加的情況。

人員閘門內(nèi)筒節(jié)事故工況門板變形產(chǎn)生的軸向位移如圖6所示。由圖可知，門板與門框在事故工況壓力載荷作用下位移方向一致，取門板上的最大軸向位移2.029 mm作為門板與門框間的軸向相對(duì)位移。根據(jù)人員閘門門板密封圈性能，門板保持密封狀態(tài)時(shí)，密封圈壓縮量不得小于3 mm，即人員閘門門板與門框間的軸向相對(duì)位移量應(yīng)小于3 mm。因此，通過計(jì)算可知事故工況下人員閘門內(nèi)筒節(jié)門板密封性能滿足要求。

圖6 人員閘門內(nèi)筒節(jié)軸向位移云圖Fig.6 The cloud chart of axial displacement of personnel air lock internal sleeve

3.2 外筒節(jié)門板密封性分析

在事故工況下，當(dāng)人員閘門只有安全殼外的門打開時(shí)，外筒節(jié)的內(nèi)部和外部所受壓力相同，因此，計(jì)算中只需考慮自重載荷和SSE地震載荷；當(dāng)只有安全殼內(nèi)的門打開時(shí)，外筒節(jié)內(nèi)表面受到壓力作用，除了自重、SSE地震還要承受事故工況下的內(nèi)壓載荷作用；當(dāng)人員閘門兩門均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，外筒節(jié)僅承受自重和SSE地震載荷作用。在外筒節(jié)密封性分析時(shí)，本文取3種情況中能包絡(luò)所有載荷工況的情況進(jìn)行計(jì)算分析。此外，外筒節(jié)的設(shè)計(jì)過程中需要考慮在事故工況等緊急情況下人員和小型設(shè)備通過時(shí)產(chǎn)生的集中載荷，本文將該載荷全部施加到外筒節(jié)最外側(cè)一組通道支撐上，以考慮最危急的極端情況。

人員閘門外筒節(jié)事故工況門板變形產(chǎn)生的軸向位移如圖7所示。由圖可知，門板與門框在事故工況壓力載荷作用下位移方向一致，本文取門板的最大軸向位移作為門板與門框間的軸向相對(duì)位移，位移值為2.105 mm，小于門板保持密封狀態(tài)要求的密封圈壓縮量3 mm。因此，事故工況下人員閘門外筒節(jié)門板密封性能滿足要求。

圖7 人員閘門外筒節(jié)軸向位移云圖Fig.7 The cloud chart of axial displacement of personnel air lock external sleeve

4 鎖緊軸銷強(qiáng)度分析

上一節(jié)對(duì)事故工況下人員閘門門板的密封性能進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果顯示，各種載荷疊加作用下門板與門框發(fā)生形變產(chǎn)生了相對(duì)位移，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致壓緊門板的鎖緊軸銷產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，因此，本文需要對(duì)事故工況下鎖緊軸銷的剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析。

事故工況下，人員閘門內(nèi)門和外門鎖緊軸銷應(yīng)力強(qiáng)度云圖分別如圖8和圖9所示。本文取應(yīng)力強(qiáng)度的1/2作為鎖緊軸銷剪切應(yīng)力，可得內(nèi)門鎖緊軸銷最大剪切應(yīng)力為59 MPa，外門鎖緊軸銷最大剪切應(yīng)力為58.5 MPa。根據(jù)RCC-M 規(guī)范中ZVI 2213 節(jié)［7］可計(jì)算得到事故工況下鎖緊軸銷的許用剪切應(yīng)力限值為68.8 MPa。因此，事故工況下人員閘門內(nèi)門鎖緊軸銷和外門鎖緊軸銷最大剪切應(yīng)力均小于許用值，即滿足強(qiáng)度要求。

圖8 人員閘門內(nèi)門鎖緊軸銷應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.8 The cloud chart of stress intensity of lock shaft pin in personnel air lock

圖9 人員閘門外門鎖緊軸銷應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.9 The cloud chart of stress intensity of lock shaft pin in personnel air lock

本文采用有限元法對(duì)人員閘門內(nèi)筒節(jié)和外筒節(jié)主體承壓部件和鎖緊結(jié)構(gòu)建立了有限元模型，得到結(jié)論如下：

（1）人員閘門第一階頻率為49 Hz，大于截?cái)囝l率，可以采用等效靜力法進(jìn)行抗震計(jì)算；

（2）人員閘門門板與門框在事故工況下最大軸向相對(duì)位移小于門板保持密封狀態(tài)要求的密封圈壓縮量，滿足人員閘門密封性能要求；

（3）事故工況下，人員閘門內(nèi)門和外門鎖緊軸銷最大剪切應(yīng)力均小于許用值，滿足壓緊密封門板的強(qiáng)度要求。

本文可直接應(yīng)用于核電廠乏燃料離堆干法貯存設(shè)施和容器的相關(guān)零部件或結(jié)構(gòu)（如密封結(jié)構(gòu)）的設(shè)計(jì)和安全分析中，尤其是對(duì)事故工況下如何保證貯存容器具有良好的密封性具有十分重要的借鑒意義。