核電站大氣釋放閥消音器力學分析

樓燁 葉奇

（中國核電工程有限公司，北京100840）

0 前言

大氣釋放閥為二回路關(guān)鍵敏感設備[1]，其配套的大氣釋放閥消音器是包括結(jié)構(gòu)支撐的，具有消音功能的立式設備，主要由消音器筒體，消音器防雨彎管、底板、防鳥網(wǎng)組件等零部件組成。該設備一般有多臺，均安裝在核電站廠房頂端，通過錨固螺栓以及預埋鋼板固定在頂部平臺上。為保證消音器符合設計標準要求需要對大氣消音器釋放閥的外部結(jié)構(gòu)進行抗震分析。消音器設備距離通風管、墻面、圍欄距離均較近，考慮到空間原因，設計上除了采用消音器罩殼外，還在消音器罩殼上加設異形筒體遮雨罩，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。底部罩殼與異形筒體焊接連接，遮雨罩開口設置防護網(wǎng)，防止飛鳥或雜物進入。候條件，千年一遇0.6 kPa進行計算，承載面為設備上表面，沿重力方向垂直加載。設計基準風速和風壓考慮消音器垂直安裝在廠房靠近安全殼一側(cè)的頂部平臺上，因此計算時按照當?shù)貧夂驐l件取最高處風壓1.92 kPa。承載面為設備最大迎風面，沿水平方向加載。流體沖擊載荷，消音器出口蒸汽流速約為80 m/s。蒸汽密度約為0.5 kg/m3。根據(jù)能量守恒原理，則對應蒸汽壓力為：。保守的考慮壓力均勻的作用在整個計算模型殼體內(nèi)壁。

圖1 消音器圖示

地震載荷，考慮Operating-Basis Earthquake（OBE）級地震和Safety Shutdown Earthquake（SSE）級地震。OBE響應譜取SSE的1/2；SSE響應譜結(jié)構(gòu)阻尼比保守取2%。

2 力學分析要求

2.1 筒體設備應滿足條件

該設備評定時按照核3級設備評定，即要求設備在SSE地震下能保證其完整性[2]。準則和相應的應力限值如表1所示：

表1 筒體設備評定應力限制

1 大氣釋放閥消音器所受載荷

力學分析所考慮的載荷包括：結(jié)構(gòu)自重、雪載荷、風載荷及地震載荷以及消音器出口蒸汽造成的壓力。

實際設備重量，消音器上端約1 420 kg，變徑筒體部分約為1 100 kg，底板部分約為458 kg，總計2 978 kg?？紤]到螺栓重量以及焊接等因素的影響，保守估計計算總質(zhì)量約為3 000 kg。設計基準雪荷載按照當?shù)貧?/p>

表中：σm——總體薄膜應力；σb——彎曲應力；

σL——局部薄膜應力；

σm+σb——薄膜加彎曲應力；

S——基本許用應力，該設備按照規(guī)范3級設備標準評定，根據(jù)RCC-M規(guī)范要求需乘以0.85的系數(shù)。

2.2 螺栓應滿足條件

對于鐵素體螺栓評定的應力限制如下：

承受純拉伸的螺栓緊固件的平均拉伸應力應限制在Ftb以內(nèi)：

承受純剪切的螺栓緊固件的平均剪切應力應限制在Fvb以內(nèi)：

同時承受拉伸和剪切力的螺栓中，應滿足下列方程式：

ft——計算拉伸應力

fv——計算剪切應力

Ftb——許用拉伸應力

Fvb——許用剪切應力

Su——抗拉強度

對于固定底板的螺栓材料為鐵素體不銹鋼SA 193 Type B16：

Ftb=0.5Su=0.5×862=431MPa

Fvb=5Su/24=5×862/24=179.59MPa

對于將筒體固定在底板上的螺栓材料為鋼8.8-Zn 5B：

Ftb=0.5Su=0.5×830=415MPa

Fvb=5Su/24=5×830/24=172.92MPa

2 數(shù)值計算

采用有限元方法計算設備在各種載荷下的應力。對于雪載，施加在彎管頂面上。對于風載，施加在水平最大迎風面積上。對于地震作用，計算時采用BLOCK LANCZOS（分塊蘭索斯法）法提取結(jié)構(gòu)模態(tài)[3]，用響應譜法計算結(jié)構(gòu)地震響應，用CQC法對各階模態(tài)和地震三個方向作用分別進行組合[4]，考慮丟失質(zhì)量對結(jié)果產(chǎn)生的影響，同時利用GUPTA算法對結(jié)構(gòu)的剛體響應作出修正[5]。將計算得到的三個方向的結(jié)果用SRSS方法組合后，可分別得到OBE和SSE地震對設備的最大響應。

計算模型由4節(jié)點SHELL單元組成，整個模型中共有70186個單元。底板通過12個連接螺栓錨固在頂部平臺上，施加UX=UY=UZ=0的約束條件，罩蓋通過16個連接螺栓與底板固定，螺栓連接處節(jié)點進行耦合。雪荷載加在彎管上部表面上，作用力垂直向下。風荷載作用在整體最大迎風面積上，作用力水平。自重加在所有單元上。

3 計算結(jié)果與分析

對表1中所列的載荷工況進行組合，求出設備在各工況下的最大應力值，提取計算結(jié)果，列出設備在各工況下設備各部件的應力結(jié)果。

3.1 模態(tài)分析計算結(jié)果

對整體結(jié)構(gòu)作模態(tài)分析，計算達到截止頻率，前15階模態(tài)的頻率列于表2中。

表2 整體結(jié)構(gòu)的固有頻率及有效質(zhì)量

3.2 筒體設備應力計算結(jié)果

筒體設備包括筒體及封頭、接管、管板、法蘭等。正常/設計工況下，設備應力分布如圖3所示；異常工況下，設備應力分布如圖4所示；事故工況下，設備應力分布如圖5所示。整理筒體設備在各工況的最大應力得表3。

圖3 正常/設計工況設備應力分布/Pa

圖4 異常工況設備應力分布/Pa

圖5 事故工況設備應力分布/Pa

表3 設備在各工況下的最大應力

由表3可知，設備的應力滿足要求。

3.3 螺栓計算結(jié)果與評定

罩蓋通過16個M30（有效截面積561mm2）螺栓固定在底板上。經(jīng)計算，得到連接螺栓在各工況下的最大軸力和最大剪力，如表4所示。從而可求得最大軸向拉伸應力與最大剪應力，如表5所示。

表4 罩蓋連接螺栓在各工況下的最大受力情況

表5 罩蓋連接螺栓在各工況下的最大應力情況

由表5可知，罩蓋與底板之間的連接螺栓應力滿足要求。

底板通過12個M36（有效截面積817mm2）螺栓固定在基礎上。經(jīng)計算，得到錨固螺栓在各工況下的最大軸力和最大剪力，如表6所示。從而可求得最大軸向拉伸應力與最大剪應力，如表7所示。

表6 底板錨固螺栓在各工況下的最大受力情況

表7 底板錨固螺栓在各工況下的最大應力情況

由表7可知，底板與基礎之間的錨固螺栓應力滿足要求。

3.4 屈曲分析

根據(jù)RCC-M J3200，對厚度6 mm的上部彎管筒體進行屈曲評定，對應的屈曲限制如下：

對上部筒體軸向壓縮應力評定如下：

在自重、風載、雪載、正常工況作用下，經(jīng)計算分析筒體的最大軸向壓縮應力為在自重、風載、雪載、異常工況和OBE地震載荷作用下，經(jīng)計算分析筒體的最大軸向壓縮應力

在自重、風載、雪載、事故工況接管載荷和SSE地震載荷作用下，經(jīng)計算分析筒體的最大軸向壓縮應力為：

對上部筒體周向壓縮應力評定如下：

在風載作用下，筒體周向應力為：

在雪載作用下，筒體周向應力為：

根據(jù)RCC-M J3200，對厚度10 mm的下部變徑筒體屈曲評定，對應的屈曲限制如下：

對下部筒體軸向壓縮應力評定如下：

在自重、風載、雪載、正常工況作用下，經(jīng)計算分析筒體的最大軸向壓縮應力為

在自重、風載、雪載、異常工況和OBE地震載荷作用下，經(jīng)計算分析筒體的最大軸向壓縮應力

在自重、風載、雪載、事故工況和SSE地震載荷作用下，經(jīng)計算分析筒體的最大軸向壓縮應力為

對上部彎管筒體周向壓縮應力評定如下：

在風載作用下，筒體周向應力為：

在雪載作用下，筒體周向應力為：

綜合以上計算結(jié)果，消音器符合要求，不會造成屈曲破壞。

4 結(jié)論

大氣釋放閥消音器設備設計過程中由于考慮到其安全性及對其他設備的影響，整體結(jié)構(gòu)需要向上延展，造成了其豎直方向高度增加較大，同時由于其位于廠房頂端，結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增加，需要對其進行抗震分析。大氣釋放閥消音器同時還面臨著風、雪等極端氣候的影響，內(nèi)部蒸汽沖擊也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在大氣釋放閥消音器結(jié)構(gòu)的力學分析過程中還要考慮屈曲的影響。只有綜合考慮以上所有載荷下的分析結(jié)果，才能保證其安全有效的運行，提高核電站的在役期間的穩(wěn)定性。