某核電用上充泵關(guān)鍵部位抗震及應(yīng)力分析與評定

張世義，趙 藤，王天周，符義洪

(1.重慶交通大學(xué) 航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033)

引言

核能是目前理想的高效清潔能源之一。核電應(yīng)用，對安全性和可靠性的要求遠高于傳統(tǒng)能源電站。地震是嚴重危害核電站安全性和可靠性的自然災(zāi)害，且目前對地震仍處于預(yù)防階段，因此在核電站設(shè)計時，必須進行抗震分析，尤其是用于反應(yīng)堆冷卻的泵組，其目的在于證明核級泵在基準地震和安全停堆地震期間或之后，能夠保證結(jié)構(gòu)的完整性以及泵組的可靠運行[1-2]。

ANSYS具有可靠性高，分析效率高，使用范圍廣(包括線性分析、非線性分析、單一場分析、多場耦合分析)的特點，提供了強大的動力學(xué)分析，能夠高效可靠的進行泵組的模態(tài)分析、響應(yīng)分析和譜分析[3-6]。目前，許多學(xué)者運用ANSYS對機械機構(gòu)進行了模態(tài)分析；代翠等[7]通過對比實驗得出，有限元模態(tài)分析結(jié)果準確性較高，能準確的反映機械結(jié)構(gòu)的特性；張世義等[8]進行1000 MW 級核電站上充泵外殼體熱固耦合分析；耿豪杰等[9]對軸向柱塞雙聯(lián)泵結(jié)構(gòu)強度進行了數(shù)值計算求解；運用ANSYS對泵體機構(gòu)進行模態(tài)分析，其計算結(jié)果的準確性較高[10-11]；馬曉等[11]采用理論值與有限元計算值對比分析，提高了模擬計算準確性。許多學(xué)者對核電泵進行了抗震分析；沈高飛等[12]對某水泵進行實驗?zāi)B(tài)分析，計算出固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)，為泵體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減振提供了參考；張澄東等[13]以核電水泵為研究對象，對泵的泵殼、筒體、端蓋在各項載荷作用下進行了應(yīng)力分析，進而進行安全評定；王文博等[14]在地震作用下對核電站安全殼噴霧泵進行實驗，高形變區(qū)域集中在泵底，與ASME II確定的允許應(yīng)力相比較，符合核電設(shè)備安全要求。

綜上所述，相關(guān)研究主要以核電泵為研究對象，對其載荷進行簡化，而目前鮮有針對核電機組計算及研究。本研究建立了核電站水泵(離心式上充泵)準確的機組模型，采用有限元ANSYS軟件，先分析泵機組在自重、內(nèi)壓、溫度、接管載荷、地震載荷綜合作用下的模態(tài)和應(yīng)力分布，對泵體關(guān)鍵部位進行校核分析和評定，重點分析易損壞部件軸的動力特性、振動特性及疲勞強度。

1 計算模型及工況分析

1.1 力學(xué)模型

1) 泵和公共底板力學(xué)模型

上充泵計算模型中，外殼體、泵座、進水管、出水管、筋板用殼單元建模，泵軸用梁單元建模，轉(zhuǎn)子部件以附加質(zhì)量加到梁單元上，上充泵泵體有限元模型見圖1。

圖1 上充泵泵體有限元模型Fig.1 Finite element model of upper charging pump body

進水接管和出水接管計算模型中，為了去除加載邊界對接管根部應(yīng)力的影響，接管建模時的長度延長至半徑的1.5倍以上，進水口接管法蘭模型見圖2，出水口接管法蘭模型見圖3。

圖2 上充泵進口接管有限元模型Fig.2 Finite element model of inlet nozzle of charging pump

圖3 上充泵出口接管有限元模型Fig.3 Finite element model of outlet nozzle of charging pump

2) 軸的組合模型

用梁單元建立上充泵泵軸、電機軸、聯(lián)軸器軸的有限元模型，用約束方程命令流來模擬傳動作用，將泵的葉輪等部件質(zhì)量均勻加在泵軸的相應(yīng)位置。葉輪3個方向的轉(zhuǎn)動慣量，作為實參數(shù)值加載。電機轉(zhuǎn)子部件重量用質(zhì)量單元MASS21模擬加在電機軸上，其輸入轉(zhuǎn)子3個方向的轉(zhuǎn)動慣量實參數(shù)。將泵軸、電機軸固定軸承支承處2個橫向自由度約束，軸向放開。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)有限元模型Fig.4 Finite element model of shaft system

1.2 邊界條件

對泵和電機公共底板的地腳螺栓相應(yīng)位置節(jié)點進行固支約束，模擬螺栓連接。上充泵的內(nèi)壓力均布加在外殼體和進出水管上，泵軸與前后軸承和內(nèi)外殼體相應(yīng)位置進行耦合約束，電機軸與前后軸承相應(yīng)位置進行耦合約束，轉(zhuǎn)動方向放開，其他方向進行耦合約束。

1.3 材料力學(xué)特性

各材料的物理和力學(xué)性能參數(shù)見表1所示，A*許用拉應(yīng)力：Ftb=0.5Su=500 MPa；許用剪應(yīng)力：Fvb=5Su/24=208 MPa?？紤]溫度對材料特性的影響，上充泵泵體材料取160 ℃下的材料特性，其余部件的材料取常溫下的材料特性。

表1 材料特性及基本許用應(yīng)力Tab.1 Material characteristics and basic allowable stress

1.4 計算載荷

1) 基本載荷

自重：泵質(zhì)量6500 kg，電機質(zhì)量5000 kg，公共底板質(zhì)量2000 kg，總質(zhì)量15100 kg，重力加速度g=9.8 m/s2。

內(nèi)壓：上充泵高壓端設(shè)計壓力22 MPa，水壓試驗壓力33 MPa，低壓端設(shè)計壓力2.5 MPa，水壓試驗壓力5 MPa。

2) 泵的接管載荷

表2為接管載荷值，F(xiàn)u表示軸向力，F(xiàn)c為合成剪力，Mu表示扭矩，Mc為合成彎矩。

表2 接管載荷Tab.2 Takeover load

1.5 地震載荷

機組布置在反應(yīng)堆安全廠房處，根據(jù)地震譜標高數(shù)據(jù)，采用插值法得到標高為12 m的地震譜，操作基準地震(Operating-Basis Earthquakes，OBE)譜見表3，安全停堆地震(Safety Shutdown Eathquake,SSE)譜見表4所示。

表3 反應(yīng)堆安全廠房12 m標高OBE地震譜(阻尼比：2 %)Tab.3 OBE seismic spectrum of reactor safety building at 12 m elevation (damping ratio: 2%)

表4 反應(yīng)堆安全廠房12 m標高SSE地震譜(阻尼比：4 %)Tab.4 SSE seismic spectrum of reactor safety building at 12 m elevation (damping ratio: 4%)

1.6 載荷組合

各工況下載荷組合條件見表5，其溫度僅用于確定許用應(yīng)力，所考慮部件的接管載荷、壓力和溫度與電廠的運行工況(如：正常工況、擾動工況、應(yīng)急工況和事故工況)有關(guān)；適用的應(yīng)力準則級別中1A適用于能動泵及能動閥。

表5 RCC-M2、3級部件的載荷組合Tab.5 Load combinations of RCC-M2 and Class 3 components

2 機組模態(tài)分析

2.1 模態(tài)計算結(jié)果

通過有限元模態(tài)計算，得到了上充泵的頻率與振型，上充泵的基本頻率見表6～表8，X方向的主振頻率為30.97 Hz，Y方向的主振頻率為25.94 Hz，Z方向的主振頻率為39.23 Hz，X，Y，Z3個方向的主要模態(tài)振型圖見圖5。

表6 泵及其支承結(jié)構(gòu)在X方向(軸向)的動態(tài)特性Tab.6 Dynamic characteristics of the pump and supporting structure in X direction (axial)

表7 泵及其支承結(jié)構(gòu)在Y方向(垂向)的動態(tài)特性Tab.7 Dynamic characteristics of the pump and supporting structure in Y direction (vertical)

表8 泵及其支承結(jié)構(gòu)在Z方向(橫向)的動態(tài)特性Tab.8 Dynamic characteristics of pump and supporting structure in Z direction (transverse)

圖5 泵及支承結(jié)構(gòu)不同階數(shù)的模態(tài)振型Fig.5 Modal shapes of pump and supporting structure with different orders

2.2 泵的應(yīng)力計算結(jié)果及評價

模態(tài)分析結(jié)果可知，上充泵及支承結(jié)構(gòu)的基頻低于33 Hz，采用譜分析法計算結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下的應(yīng)力。首先分別輸入X，Y，Z3個方向的地震載荷進行計算，并按照SRSS(平方和開根)的方法進行振型組合，分別得到結(jié)構(gòu)在3個方向的應(yīng)力結(jié)果，然后將3個方向的應(yīng)力結(jié)果采用SRSS方法進行組合，最后得到結(jié)構(gòu)在3個方向地震載荷共同作用下的應(yīng)力結(jié)果。

自重與OBE地震聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布見圖6，自重與SSE地震聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布見圖7，泵在自重與OBE及SSE地震聯(lián)合作用下的應(yīng)力計算值分別見表9，pm代表薄膜應(yīng)力，pm+pb代表薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和。各工況的pm，pm+pb分布見圖8～圖10，在不同工況下，泵體不同結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力計算結(jié)果與評定見表10～表12，其應(yīng)力較大位置均出現(xiàn)在螺栓連接處，從表中可知，泵在規(guī)定的載荷作用下，應(yīng)力計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，螺栓約束位置薄膜應(yīng)力可以放大到1.5倍的應(yīng)力限值。

圖6 泵及支承結(jié)構(gòu)在自重和OBE聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of pump and supporting structure under combined action of self weight and OBE

圖7 泵及支承結(jié)構(gòu)在自重和SSE聯(lián)合作用下的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of pump and supporting structure under combined action of self weight and SSE

表9 泵在自重和地震聯(lián)合作用下的應(yīng)力計算值Tab.9 Calculated stress values of pump under combined action of self weight and earthquake MPa

a) pm

〗b) pm+pb圖8 設(shè)計工況下泵體應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of pump under design conditions

a) pm

b) pm+pb圖9 擾動工況下泵體應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of pump under disturbance condition

a) pm

b) pm+pb圖10 事故工況下泵體應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of pump under accident conditions

表10 泵體各部件在設(shè)計工況下的應(yīng)力計算值Tab.10 Calculated stress values of various parts of pump under design conditions MPa

表11 泵體各部件在擾動工況下的應(yīng)力計算值Tab.11 Calculated stress values of various parts of pump under disturbance conditions MPa

表12 泵體各部件在事故工況下的應(yīng)力計算值Tab.12 Stress calculation values of various parts of pump under accident conditions MPa

3 機組關(guān)鍵部件應(yīng)力分析及評價

3.1 上充泵接管的應(yīng)力分析與評定

1) 入口接管應(yīng)力分析

對上充泵入口接管進行分析，入口接管在設(shè)計壓力和A，B，D級接管載荷、水壓試驗的分別作用下的應(yīng)力分布如圖11～圖14所示。

圖11 入口接管在設(shè)計壓力和A級接管載荷作用下的應(yīng)力分布Fig.11 Stress distribution of inlet nozzle under design pressure and A-level nozzle load

不考慮由于螺栓約束位置的應(yīng)力集中效應(yīng)，取入口管6個截面，如圖15所示，其在設(shè)計壓力和A,B,D級接管載荷、水壓試驗壓力作用下的應(yīng)力分析結(jié)果如表13～表16所示。

圖12 入口接管在設(shè)計壓力和B級接管載荷作用下的應(yīng)力分布Fig.12 Stress distribution of inlet nozzle under design pressure and B-level nozzle load

圖13 入口接管在設(shè)計壓力和D級接管載荷作用下的應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution of inlet nozzle under design pressure and D-level nozzle load

圖14 入口接管在水壓試驗壓力作用下的應(yīng)力分布Fig.14 Stress distribution of inlet nozzle under hydrostatic test pressure

圖15 入口接管斷面示意圖Fig.15 Schematic diagram of the cross-section of the inlet nozzle

表13 入口接管在設(shè)計壓力和A級接管載荷作用下的應(yīng)力Tab.13 Stress of the inlet nozzle under design pressure and A-level nozzle load MPa

表14 入口接管在設(shè)計壓力和B級接管載荷作用下的應(yīng)力Tab.14 Stress of the inlet nozzle under the design pressure and B-level nozzle load MPa

表15 入口接管在設(shè)計壓力和D級接管載荷作用下的應(yīng)力Tab.15 Stress of the inlet nozzle under design pressure and D-level nozzle load MPa

表16 入口接管在水壓試驗壓力下的應(yīng)力Tab.16 Stress of inlet nozzle under hydraulic test pressure MPa

2) 入口接管應(yīng)力評定

入口接管在各級工況下應(yīng)力強度最大值與許用值對比見表17，正常工況、擾動工況、事故工況下的載荷包含自重、內(nèi)壓、地震和接管載荷，水壓試驗工況下載荷只包含自重和內(nèi)壓作用。

表17 不同工況上充泵入水管應(yīng)力計算結(jié)果及評定Tab.17 Stress calculation results and evaluation of inlet pipe of upper charging pump under different conditions MPa

3.2 出口接管應(yīng)力分析

出口接管在設(shè)計壓力和A，B，D接管載荷、水壓試驗壓力的分別作用下的應(yīng)力分布如圖16～圖19所示。

圖16 出口接管在設(shè)計壓力和A級接管載荷作用下的應(yīng)力分布Fig.16 Stress distribution of outlet nozzle under design pressure and A-level nozzle load

圖17 出口接管在設(shè)計壓力和B級接管載荷作用下的應(yīng)力分布Fig.17 Stress distribution of outlet nozzle under design pressure and B-level nozzle load

圖18 出口接管在設(shè)計壓力和D級接管載荷作用下的應(yīng)力分布Fig.18 Stress distribution of outlet nozzle under design pressure and D-level nozzle load

圖19 出口接管在水壓試驗壓力作用下的應(yīng)力分布Fig.19 Stress distribution of outlet nozzle under hydrostatic test pressure

不考慮螺栓約束位置的應(yīng)力集中，取出口管6個截面，如圖20所示，在設(shè)計壓力和A,B,D級接管載荷、水壓試驗壓力作用下的應(yīng)力分析結(jié)果如表18～表21所示。

圖20 出口接管斷面示意圖Fig.20 Schematic diagram of cross-section of outlet nozzle

表18 出口接管在設(shè)計壓力和A級接管載荷作用下的應(yīng)力Tab.18 Stress of outlet nozzle under design pressure and A-level nozzle load MPa

表19 出口接管在設(shè)計壓力和B級接管載荷作用下的應(yīng)力Tab.19 Stress of outlet nozzle under design pressure and B-level nozzle load MPa

表20 出口接管在設(shè)計壓力和D級接管載荷作用下的應(yīng)力Tab.20 Stress of outlet nozzle under design pressure and D-class nozzle load MPa

表21 出口接管在水壓試驗壓力下的應(yīng)力Tab.21 Stress of outlet nozzle under hydraulic test pressure MPa

2) 出口接管應(yīng)力評定

根據(jù)RCC-M 2007設(shè)計規(guī)范[15]，出口接管在各級工況下應(yīng)力最大值的計算結(jié)果與許用值對比見表22。

表22 不同工況上充泵出水管應(yīng)力計算結(jié)果及評定Tab.22 Stress calculation results and evaluation of outlet pipe of upper charging pump under different conditions MPa

3.3 泵機組軸系分析

1) 軸系分析

采用約束方程耦合，將泵的葉輪等質(zhì)量均勻加在泵軸的相應(yīng)位置。葉輪3個方向的轉(zhuǎn)動慣量，作為實參數(shù)值加載。電機轉(zhuǎn)子部件重量用質(zhì)量單元MASS21模擬加在電機軸上，其輸入轉(zhuǎn)子3個方向的轉(zhuǎn)動慣量實參數(shù)。泵軸、電機軸固定軸承的相應(yīng)位置節(jié)點處約束垂向和橫向自由度，其余自由度不作約束，如圖21所示。

圖21 上充泵機組軸系統(tǒng)有限元模型約束示意圖Fig.21 Schematic diagram of finite element model constraints of shaft system of upper charging pump unit

2) 泵機組軸系的動力特性

機組的動態(tài)特性見表23～表25所示，各階模態(tài)見圖22。

圖22 機組軸系不同階數(shù)的模態(tài)振型Fig.22 Modal shapes of unit shafting with different orders

表23 機組軸系縱向(X方向)振動特性Tab.23 Longitudinal (X direction) vibration characteristics of unit shafting

表24 機組軸系橫向(Y方向)振動特性Tab.24 Transverse (Y direction) vibration characteristics of unit shafting

表25 機組軸系橫向(Z方向)振動特性Tab.25 Transverse (Z direction) vibration characteristics of unit shafting

3) 機組軸系振動特性評價

計算得到泵軸的一階橫向頻率fc為82 Hz，保證振動強度的準則是結(jié)構(gòu)的固有頻率與激勵的頻率分隔開。泵軸的轉(zhuǎn)速為2985 r/min，即轉(zhuǎn)動頻率f0為49.58 Hz，泵軸的頻率系數(shù)為：

k1=fc/f0=1.65≥1.25

(1)

電機軸的一階主振頻率fr為132.64 Hz，電機軸的轉(zhuǎn)速為2985 r/min，即轉(zhuǎn)動頻率f0為49.75 Hz，電機軸的頻率系數(shù)為：

k2=fr/f0=2.67≥1.25

(2)

電機軸和泵軸的設(shè)計滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

4 結(jié)論

通過對某核電站上充泵系統(tǒng)的力學(xué)計算分析，按照RCC-M 2007規(guī)范、ASME規(guī)范NH分冊[16]和機械設(shè)計手冊的相關(guān)規(guī)定，進行詳細的評定后可以得出以下結(jié)論：

(1) 上充泵結(jié)構(gòu)強度設(shè)計滿足規(guī)范要求；

(2) 上充泵沖洗管、平衡管等輔助管設(shè)計滿足規(guī)范要求；

(3) 上充泵系統(tǒng)泵軸的設(shè)計滿足規(guī)范要求。