大型商用飛機撞擊載荷對核電廠管道的影響分析

梁建剛，彭 建，吳高峰

(中廣核工程設計有限公司,廣東深圳 518172)

0 引言

2001年美國“9·11事件”震驚了全世界，核電廠在大型商用飛機撞擊下的安全問題也成為公眾關注的焦點[1]。核電站抵御飛機撞擊的問題已引起了國際上的普遍重視。我國核安全法規(guī)和核安全導則都有關于核電廠遭遇飛機撞擊時的要求。國際核行業(yè)對于核電廠遭遇大型商用飛機撞擊的法律法規(guī)也在逐步完善。健全核電廠超設計基準飛機撞擊的法規(guī)標準是一項具有重大意義的工作，是我國擁有完整核電技術體系不可缺少的一部分[2]。

美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150明確要求新設計核電廠需考慮大型商用飛機的撞擊，歐洲三代核電站需考慮大型商用飛機撞擊和軍用飛機撞擊的事件[3]。我國新版《核動力廠設計安全規(guī)定》(HAF 102—2016) 中明確了對大型商用飛機撞擊事件的要求。為了支持聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150的實施，2011年美國核管會正式出版導則RG1.217,并確定美國核能研究院NEI07-13中提供的方法可作為飛機撞擊評估的方法。NEI07-13中列出飛機撞擊產(chǎn)生的幾種效應及相應的評估要求，沒有提供對沖擊振動計算分析的具體方法，僅給出了飛機撞擊下的振動評價規(guī)則、設備遠離撞擊位置相應的最佳易損度下的加速度限值。美國西屋公司在開展AP1000堆型研發(fā)過程中，進行了大量的試驗驗證分析工作，包括飛機撞擊的縮比試驗驗證等；美國ANATECH公司在與韓國公司進行核電廠評估設計過程中開展了振動計算分析研究，并對飛機撞擊振動分析評估進行相關的研究，給出了飛機撞擊下的加速度等值線，可為安全相關設備的布置提供指導。臺山EPR項目中關于大型商用飛機撞擊產(chǎn)生的振動效應，在設計文件中沒有具體的計算方法描述，僅提及EPR項目采用了專設APC殼結構，飛機撞擊產(chǎn)生的振動樓層反應譜被地震樓層反應譜包絡。

目前，國內對大型商用飛機撞擊的研究比較重視，上海核工程研究設計院牽頭開展了核電廠抗大型商用飛機撞擊的國家重大專項課題研究；中國核電工程有限公司依托華龍一號項目開展了大型商用飛機撞擊核電廠時的碰撞動力分析、振動分析和火災防護分析。

國內外學者針對飛機撞擊建(構)筑物進行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果，包括撞擊載荷、撞擊毀傷效應、撞擊引起的振動特性等[4]。本文選取某核電廠一個管道單元，借助管道分析軟件PIPESTRESS對管道單元開展反應譜分析，獲得大型商用飛機撞擊譜下的管道響應，并將管道單元在大型商用飛機撞擊譜和地震譜下的響應進行分析，分析管道在大型商用飛機撞擊譜和地震譜下的響應差異；并對大型商用飛機撞擊載荷評定方法進行探討，為后續(xù)管道抗擊大型商用飛機撞擊設計提供技術支持。

1 反應譜分析

反應譜分析主要用于時間-歷程分析，以便確定結構對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應分析情況，如地震、颶風、海洋波浪等。反應譜分析理論創(chuàng)立以來歷經(jīng)幾十年的歷史，為地震工程和抗震設計奠定了理論基礎，在工程實踐中，尤其對結構抗震計算具有十分重要的意義[5-8]。本文采用反應譜分析方法對選取的管道單元開展分析，獲得大型商用飛機撞擊譜和地震譜下的管道動態(tài)響應。

1.1 管道單元選取

選取某核電廠燃料廠房PTR系統(tǒng)的一個管道單元作為典型單元開展分析。該PTR管道單元布置標高處于-4.500～18.300 m之間，規(guī)范等級為3級，管徑外徑DR=323.8 mm，壁厚TR=4.57 mm，設計溫度T=110 ℃，設計壓力P=1.0 MPa，介質密度1 000 kg/m3?；赑IPESTRESS軟件建立的某核電站PTR管道單元模型如圖1所示。

圖1 某核電站PTR管道單元模型Fig.1 Model of the PTR pipeline unit for a nuclearpower plant

1.2 大型商用飛機撞擊譜和地震譜分析

大型商用飛機撞擊譜和地震譜分別見圖2,3。飛機撞擊譜水平方向最大加速度21.5g，頻率分布在25.0～47.0 Hz之間；飛機撞擊譜豎直方向最大加速度7.8g，頻率分布在38.0～58.0 Hz之間。地震譜水平方向最大加速度4.3g，頻率分布在3.4～8.4 Hz之間；地震譜豎直方向最大加速度2.2g，頻率分布在4.0～6.9 Hz之間。

圖2 大型商用飛機撞擊譜Fig.2 Large commercial aircraft impact spectrum

圖3 地震譜Fig.3 Seismic spectrum

大型商用飛機撞擊譜的峰值加速度遠大于地震譜的峰值加速度；峰值加速度分布的頻率段不同，飛機撞擊譜峰值加速度處于較高頻率段，地震譜峰值加速度處于較低頻率段。

1.3 截止頻率及模態(tài)

動力分析時截止頻率的選取至關重要，合理地選取截止頻率才能獲取正確的動力分析結果。本文地震分析時截止頻率取100 Hz，大型商用飛機撞擊分析時截止頻率取100 Hz，頻率分布如表1所示。

表1 頻率分布Tab.1 Frequency distribution

1.4 大型商用飛機撞擊譜和地震譜下的管道響應分析

采用PIPESTRESS軟件開展反應譜分析，得到大型商用飛機撞擊譜下的管道最大響應在PIPESTRESS模型中的115節(jié)點處，飛機撞擊譜下管道的最大應力為372.20 MPa，見圖4。

圖4 大型商用飛機撞擊譜下的管道應力分布Fig.4 Pipe stress distribution under the impact spectrum of large commercial aircraft

采用PIPESTRESS軟件開展反應譜分析，得到地震譜下的管道最大響應在PIPESTRESS模型中的115節(jié)點處，地震譜下管道的最大應力為89.57 MPa，見圖5。

圖5 地震譜下的管道應力分布Fig.5 Pipe stress distribution under the seismic spectrum

大型商用飛機撞擊譜下的管道響應遠大于地震譜下的管道響應，主要有三個原因：(1)大型商用飛機撞擊譜的峰值加速度遠大于地震譜的峰值加速度；(2)大型商用飛機撞擊譜和地震譜的峰值加速度頻率分布區(qū)間差異很大，大型商用飛機撞擊譜峰值加速度處于25.0～47.0 Hz頻率之間，而地震譜峰值加速度處于3.4～8.4 Hz頻率之間；(3)管道單元固有模態(tài)在6.5～50 Hz區(qū)間分布呈高度密集分布，50 Hz后開始呈逐漸稀疏分布。

2 評定準則探討

美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.150將大型商用飛機的撞擊事件確定為超設計基準事件。通過動力分析獲得大型商用飛機撞擊載荷下的管道響應，對于評價大型商用飛機撞擊下的管道響應，相關法規(guī)標準沒有給出評定準則。臺山EPR項目采用了APC殼結構，飛機撞擊產(chǎn)生的振動樓層反應譜被地震樓層反應譜包絡，避免了對大型商用飛機撞擊產(chǎn)生的振動效應開展詳細分析。但JIN等[9]對大型商用飛機撞擊核電站引起的振動特性進行了初步分析，指出飛機撞擊引起的振動不同于地震事件,飛機撞擊載荷與地震載荷相比，持續(xù)時間短，撞擊引起的振動頻率主要集中在高頻，并建立了核電站簡化模型，研究了不同參數(shù)對振動特性的影響；孫德綸等[10]明確指出，對于飛機撞擊所引起的安全殼響應，從加速度來看，地震引起的低頻響應嚴重，而飛機撞擊引起的高頻響應嚴重。綜上所述，大型商用飛機撞擊核電站產(chǎn)生的振動效應及評定準則是當下需要研究的方向。

3 管道評定及優(yōu)化分析

基于對大型商用飛機撞擊載荷缺少可供參考的評定準則，充分借鑒對地震評定準則的成熟經(jīng)驗。將管道在飛機撞擊譜下的響應按照RCC-M規(guī)范D級準則進行評定。管道應力評定準則見表2，管道應力評定結果見表3。

表2 管道應力評定準則Tab.2 Pipe stress assessment criteria

表3 管道應力評定結果Tab.3 Pipe stress assessment results

地震譜下管道應力評定公式(10)應力比為0.384，大型商用飛機撞擊譜下管道應力評定公式(10)應力比為1.480，選取的管道單元能承受地震載荷，但是無法承受大型商用飛機撞擊載荷。

為使選取的管道單元能承受大型商用飛機撞擊載荷，對選取的管道單元開展優(yōu)化分析。以RCC-M規(guī)范D級準則公式(10)應力比≤1.0為目標，采用優(yōu)化支架的措施，對所選管道單元進行優(yōu)化分析，優(yōu)化后的管道單元需要修改1個支架功能，增加3個剛性支架和7個阻尼器。優(yōu)化后的管道單元布置見圖6。

圖6 優(yōu)化后的管道單元布置Fig.6 Optimized pipe unit layout

4 結論

本文對大型商用飛機撞擊核電廠的研究情況進行分析，并研究了振動效應對管道的影響，得到如下結論。

(1)通過反應譜分析獲得大型商用飛機撞擊譜和地震譜下的管道響應，對比了大型商用飛機撞擊譜下的管道響應和地震譜下的管道響應，得到兩種譜的管道響應的差異原因，主要有：譜的峰值加速度差異；譜的頻率分布區(qū)間差異；選取計算單元的固有模態(tài)分布差異。

(2)對大型商用飛機撞擊下管道的評定方法進行探討，并使用RCC-M規(guī)范D級準則對選取的管道單元進行評定，選取的計算單元能承受地震載荷，但是無法承受大型商用飛機撞擊載荷。為使選取的管道單元能承受大型商用飛機撞擊載荷，對其開展優(yōu)化分析，提出管道單元能承受大型商業(yè)飛機撞擊載荷需要采用的措施。