核電廠SBO柴油發(fā)電機組抗震分析

尤國英， 葉昌錚， 劉銀芳

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所無錫分部， 江蘇無錫 214151)

為保障核電廠運行的安全可靠性，有關核安全的法規(guī)、導則和有關抗震設計、鑒定的標準相繼發(fā)布，如RCC-M規(guī)范[1]、ASME-Ⅲ規(guī)范[2]。抗震設計、鑒定的目的是保證設備在發(fā)生安全停堆地震時能夠維持其結構完整性和可運行性，并執(zhí)行其安全功能[3]。

設備的抗震鑒定方法有試驗法、分析法、經(jīng)驗法，以及將以上方法結合的方法[4]。電氣設備大多采用試驗法鑒定，也可采用分析法鑒定?？拐鸱治鐾ǔ２捎梅磻V法，但對于第1階固有頻率高于33 Hz的剛性結構，可采用等效靜力法，其計算結果偏于保守[5-6]。分析法有其特殊的優(yōu)越性，通過計算可得到結構的振動模態(tài)和任意位置的地震響應，再反過來指導設備的抗震結構設計。

核電廠SBO(全廠斷電事故工況)柴油發(fā)電機組作為備用電源的主要設備之一，其主要功能是在場外電源、主發(fā)電機和應急柴油發(fā)電機組供電均丟失的情況下，向設計負載供電，保障安全級系統(tǒng)和部件的電力供應，從而確保反應堆的亞臨界度和冷卻，或限制反應堆污染的放射性。SBO柴油發(fā)電機組屬于安全重要非安全級(F-SC3級)設備，抗震類別為Ⅰ類，必須經(jīng)過抗震鑒定。

采用有限元法建立了某核電廠SBO柴油發(fā)電機組抗震分析的3個力學模型(機組撬體模型、柴油機模型、發(fā)電機模型)，采用反應譜法對機組撬體模型進行抗震分析，采用等效靜力法對柴油機模型、發(fā)電機模型進行抗震分析，地震載荷等效為慣性力，其加速度值取自于機組撬體模型的計算結果。

1 設備概況

該SBO柴油發(fā)電機組的額定功率為3 100 kW，額定電壓為10 kV，額定轉速為1 000 r/min，設計壽命為60 a，柴油機型號為16V280ZLD，發(fā)電機型號為ZFC7 505-65E。柴油機、發(fā)電機及輔助設備集成在公共底架上，組成一個撬體結構，具體見圖1。公共底架底部設有隔振器，通過地腳螺栓與基礎固定。

圖1 柴油發(fā)電機組撬體結構

2 計算方法

采用SolidWorks三維設計軟件[7]建立機組撬體和發(fā)電機的幾何模型，將幾何模型導入ANSYS Workbench有限元分析軟件[8]，進行網(wǎng)格劃分、參數(shù)設置、加載并求解，最后進行結果處理。采用PATRAN前后處理軟件[9]建立柴油機的幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分、加載及參數(shù)設置，再調用NASTRAN有限元分析軟件[10]進行求解，最后將計算結果導入PATRAN軟件進行后處理。

抗震分析主要包括：

(1) 結構模態(tài)分析。計算結構的固有頻率和振型。

(2) 地震響應分析。對于機組撬體模型，采用反應譜法進行地震響應分析，并采用平方和開平方(SRSS)法進行組合；對于柴油機、發(fā)電機模型，采用等效靜力法進行地震響應分析，將地震載荷作為慣性力作用于質心。

(3) 應力評定和位移評定。將地震載荷與其他載荷(如自重載荷、接管推力載荷、運行載荷等)的響應進行疊加，依據(jù)規(guī)范要求按不同載荷準則進行應力評定和位移評定。

3 力學模型

3.1 有限元網(wǎng)格模型

3.1.1 機組撬體

機組撬體由公共底架、隔振器，以及安裝在底架上的主設備(柴油機、發(fā)電機)和輔助設備(如滑油冷卻器、滑油精濾器、強制循環(huán)式水預熱器、電動盤車裝置、空氣啟動電動機等)組成。將設備簡化為質量塊，底架下的隔振器用彈簧阻尼單元模擬。采用SOLID185實體單元劃分網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格模型見圖2，彈簧一端接地，作為固定約束。地震載荷通過彈簧傳遞到結構上。

圖2 機組撬體有限元網(wǎng)格模型

3.1.2 發(fā)電機

發(fā)電機由機座、支架、隔板、端蓋、轉軸、軸承座、風扇、轉子繞組、定子繞組等部件組成。采用SOLID185實體單元和SHELL181板殼單元劃分網(wǎng)格。發(fā)電機有限元網(wǎng)格模型見圖3，機座底板安裝螺栓孔處作為固定邊界約束。

圖3 發(fā)電機有限元網(wǎng)格模型

3.1.3 柴油機

柴油機由機體、支座、油底殼、曲軸、活塞、連桿、缸套、軸承座、進排氣管、中冷器、渦輪增壓器、彈性聯(lián)軸器等部件組成，一些次要部件簡化為集中質量。大部分部件為板殼結構，采用板殼單元(SHELL)劃分網(wǎng)格，曲軸、連桿等線型結構采用梁單元(BEAM)模擬，連接螺栓采用剛性單元(RBE2)模擬。柴油機有限元網(wǎng)格模型見圖4，支座底板安裝螺栓孔處作為固定邊界約束。

圖4 柴油機有限元網(wǎng)格模型

3.2 材料參數(shù)

表1為設備主要部件的材料性能參數(shù)。設備或部件采用高強度螺栓進行連接固定，表2為設備主要承載螺栓的性能參數(shù)。

表1 材料的性能參數(shù)

表2 螺栓的性能參數(shù)

3.3 載荷條件

機組受到的載荷包括結構自重載荷DW、柴油機運行載荷(如柴油機驅動扭矩載荷TN、部件內(nèi)壓載荷P、溫度載荷T、外部接管載荷NL)、發(fā)電機發(fā)生兩相短路故障時的電磁力矩載荷EMT2、安全停堆地震載荷SSE。機組撬體模型輸入的地震載荷，采用了機組所處樓層反應譜的包絡譜(見表3)。

表3 樓層反應譜包絡譜

依據(jù)RCC-M規(guī)范，按A級和C級載荷準則進行應力和位移評定，分別對應于正常工況和事故工況。正常工況和事故工況的載荷組合見表4。

表4 正常工況和事故工況的載荷組合

4 應力和位移限值

4.1 板殼型結構的應力限值

根據(jù)RCC-M規(guī)范，對于板殼型結構，應力限值見表5，其中：Pm為一次總體薄膜應力；Pb為一次彎曲應力；Pe為二次膨脹應力；S為材料基本許用應力，S取2Sy/3和Su/4中的較小值(Sy為屈服強度、Su為抗拉強度)。對于實體單元，通過應力線性化方法提取薄膜應力和彎曲應力，可參照板殼型結構進行應力評定。

表5 板殼型結構的應力限值

4.2 線型結構的應力限值

根據(jù)RCC-M規(guī)范，對于曲軸、連桿等線型結構，應力限值見表6，其中：fa、fb分別為梁截面拉壓應力和彎曲應力；Fa、Fb分別為材料拉壓和彎曲許用應力。

表6 線型結構的應力限值

4.3 螺栓的應力限值

根據(jù)RCC-M 規(guī)范，螺栓的應力限值見表7，其中：ft為拉應力；fv為剪應力；Ftb為許用拉應力；Fvb為許用剪應力。

表7 螺栓的應力限值

4.4 位移限值

為保證發(fā)電機的運行可靠性，必須對發(fā)電機轉軸的變形進行限制，以避免轉動部件與靜止部件因結構變形而發(fā)生摩擦。設備廠家提供的發(fā)電機可運行性要求為：轉子與定子之間的最大相對位移應不大于初始氣隙(7.7 mm)的十分之一。

5 結果與評定

5.1 固有頻率

3個結構的前10階固有頻率見表8。機組撬體的前6階振型為隔振器變形產(chǎn)生的整體振動，第7階振型為整體垂直振動(公共底架發(fā)生彎曲變形)；發(fā)電機的第1階至第5階振型為轉軸或機座拉筋彎曲振動(局部模態(tài))，第6階振型為整體軸向振動；柴油機的第1階振型為彈性聯(lián)軸器軸向振動(局部模態(tài))，第2階振型為整體橫向振動。

表8 各結構的固有頻率

結構的第1階、第7階模態(tài)振型分別見圖5和圖6。

圖5 結構的第1階模態(tài)振型

圖6 結構的第7階模態(tài)振型

5.2 響應加速度

表9為機組各設備的最大響應加速度。在對公共底架上的設備進行抗震分析時，該響應加速度可以作為地震載荷的輸入?yún)?shù)。

表9 最大響應加速度

5.3 應力評定

結構應力按最大主應力進行評定。正常工況下，公共底架、發(fā)電機、柴油機的結構應力不大，均小于應力限值，故不進行詳細介紹。事故工況下，公共底架最大主應力為80.5 MPa，小于應力限值(93.5 MPa)，強度滿足要求。事故工況下，發(fā)電機最大主應力為186.8 MPa，位于轉軸上后軸承支撐處，經(jīng)應力線性化后，最大薄膜應力為30.5 MPa，小于應力限值(112.2 MPa)，最大薄膜應力+彎曲應力為153.8 MPa，小于應力限值(168.3 MPa)，強度滿足要求。事故工況下，柴油機相關部件的應力評定結果見表10、表11，各部件強度均滿足要求。

表10 柴油機部件應力評定

表11 柴油機線型結構部件應力評定

螺栓受力通過提取約束反力得到，并考慮螺栓預緊力，然后計算螺栓的拉應力和剪應力。事故工況下，發(fā)電機、柴油機、隔振器的安裝螺栓的應力評定結果見表12，各螺栓強度滿足要求。

表12 螺栓應力評定

5.4 位移評定

為驗證機組的可運行性，需要對發(fā)電機轉軸的變形進行校核?？紤]最嚴格的載荷條件，即地震事故與發(fā)電機短路故障同時發(fā)生。此時，發(fā)電機定子與轉子間的最大相對位移為0.737 mm，小于許用值(0.77 mm)，滿足可運行性要求，發(fā)電機能夠維持正常運行。

6 結語

應用有限元法對某核電廠SBO柴油發(fā)電機組進行抗震分析，依據(jù)RCC-M規(guī)范的要求對機組的主要部件(發(fā)電機、柴油機、公共底架)及主要承載螺栓進行應力評定，并對發(fā)電機軸的變形進行校核。在正常工況和事故工況下，機組各部件和螺栓的應力小于許用值，發(fā)電機定子、轉子之間的最大相對位移小于許用值。因此，柴油發(fā)電機組在正常工況和事故工況下能夠保持結構完整性和可運行性，結構設計滿足規(guī)范要求。所提出的分析方法對核電廠設備的抗震結構設計和抗震安全評估有一定的參考價值。