核電站用貯氣罐抗震分析

華 君，任 新，馮 萍

（中船重工集團(tuán)第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214151）

核電站用貯氣罐抗震分析

華 君，任 新，馮 萍

（中船重工集團(tuán)第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214151）

采用有限元法，對(duì)臺(tái)山核電站SBO柴油發(fā)電機(jī)組用貯氣罐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析。介紹了貯氣罐結(jié)構(gòu)的力學(xué)建模、載荷條件和地震響應(yīng)譜分析方法，計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和地震載荷下的響應(yīng)，并根據(jù)RCCM規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)在重力、內(nèi)壓、地震等多種載荷組合下的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明，貯氣罐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果為貯氣罐的抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

核電站；貯氣罐；抗震；譜分析；應(yīng)力評(píng)定

世界上主要有核國(guó)家先后建立了一整套有關(guān)抗震設(shè)計(jì)與鑒定的法規(guī)、導(dǎo)則和規(guī)范[2-3]，從而為核電廠的抗震安全性提供了保證。核電廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定的目的就是保證設(shè)備在發(fā)生安全停堆地震（SSE）時(shí)，能夠維持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性，執(zhí)行其安全功能。

臺(tái)山核電站SBO柴油發(fā)電機(jī)組配套的貯氣罐，屬于抗震1類(lèi)設(shè)備，其功能安全等級(jí)為F2。本文采用有限元前后處理軟件MSC.Patran建立了貯氣罐的力學(xué)模型，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MSC.Nastran進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析及地震響應(yīng)分析，并依據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了應(yīng)力評(píng)定和強(qiáng)度校核，為貯氣罐的抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)描述

貯氣罐主要由筒體、封頭、人孔、支腿及接管等部件組成，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

貯氣罐本體材料為SA516 Gr.70，筒體內(nèi)徑φ1 000 mm，壁厚20 mm；3個(gè)支腿材料為Q235B，其底板和立板壁厚8 mm；接管材料為SA106 Gr.B。材料的力學(xué)性能如表2所示。

2 力學(xué)模型[5]

分析系統(tǒng)主要采用板殼單元（SHELL）、梁?jiǎn)卧˙EAM）和集中質(zhì)量單元（MASS）建立有限元模型，如圖2所示。其中，貯氣罐筒體、封頭、人孔及支腿采用板殼單元模擬，這是重點(diǎn)分析部件；接管采用梁?jiǎn)卧M；其他非重點(diǎn)部件比如法蘭、儀表、安全閥等，采用集中質(zhì)量單元模擬，將質(zhì)量施加在結(jié)構(gòu)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置。

靜力分析及模態(tài)分析時(shí)，將支腿底板焊接處作為固定邊界，約束所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)方向自由度。

為進(jìn)行響應(yīng)譜分析，建立一個(gè)大質(zhì)量點(diǎn)單元（MASS）模擬大地，支腿底板與基礎(chǔ)錨固板之間為焊接，用剛性連接的多點(diǎn)約束單元（MPC）模擬。地震作用力通過(guò)MPC單元傳遞到貯氣罐結(jié)構(gòu)上。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters

表2 材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of material

3 載荷條件[6]

靜態(tài)載荷（DW）考慮結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)壓力及外部管道作用于管口的推力載荷。貯氣罐重量約1 675 kg，重力作用方向?yàn)?Y軸方向。罐內(nèi)壓縮空氣最高工作壓力為3 MPa。作用于管口的載荷如表3所示。

地震載荷（SL）采用設(shè)備安裝所在位置的設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜（±0.0 m層），阻尼比為0.04，SSE地震反應(yīng)譜加速度值見(jiàn)表4。

圖1 貯氣罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of the air storage tank

圖2 有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculating model

表3 管口載荷Table 3 Nozzle load

表4 地震反應(yīng)譜加速度值Table 4 Acceleration value of the seismic response spectrum

考慮如下兩種載荷組合，分別對(duì)應(yīng)兩種載荷使用限制：

（1）A級(jí)載荷使用限制：設(shè)計(jì)（正常）工況載荷組合：DW。

（2）C級(jí)載荷使用限制：緊急工況載荷組合：DW+SL。

4 響應(yīng)譜分析方法[6]

響應(yīng)譜分析方法的求解過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

首先進(jìn)行模態(tài)分析得到固有頻率及振型，然后采用振型分解方法得到各階模態(tài)的響應(yīng)（包括支反力、位移、應(yīng)力等），最后利用平方和的平方根（SRSS）法進(jìn)行組合獲得結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

設(shè)ur(t)為單自由度振子由于基座運(yùn)動(dòng)uB(t)引起的響應(yīng)：

采用SRSS法進(jìn)行組合：

5 應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

依據(jù)RCCM[1]規(guī)范，對(duì)于板殼結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見(jiàn)表5。表5中，Pm為總體薄膜應(yīng)力，Pb為彎曲應(yīng)力，S為材料的基本許用應(yīng)力，見(jiàn)表2。

對(duì)于角焊縫的應(yīng)力評(píng)定，依據(jù)歐洲規(guī)范EN1993-1-8[4]，應(yīng)滿(mǎn)足下式：

式中：σw為焊縫的計(jì)算應(yīng)力；

[σ]=0.85S為焊縫的許用應(yīng)力；

σ⊥為垂直于焊縫有效截面的正應(yīng)力；

τ⊥和τ//分別為有效截面內(nèi)垂直和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的切應(yīng)力，如圖3所示。圖中的a為角焊縫有效厚度。

表5 板殼單元應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則Table 5 Stress evaluating criterion for the board unit

6 計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

6.1 固有頻率

采用Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析，得到50 Hz以?xún)?nèi)的所有模態(tài)。結(jié)構(gòu)第1階頻率為29.309 Hz，其模態(tài)振型見(jiàn)圖4。

6.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定

貯氣罐本體及支腿應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表6，其中本體的應(yīng)力計(jì)算考慮了鋼板腐蝕裕量的影響。結(jié)構(gòu)在DW+SL工況下的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

6.3 焊縫應(yīng)力檢查

貯氣罐底板錨固角焊縫高度為8 mm，焊縫有效厚度a=5.6 mm。按C級(jí)載荷（DW+SL）工況的最大支反力考慮，焊縫計(jì)算應(yīng)力為9.90 MPa，遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力122 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖3 角焊縫示意圖Fig. 3 Sketch of fillet weld

表6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定Table 6 Evaluation of structure stress

圖4 第1階模態(tài)振型圖Fig.4 No.1 primary vibration mode diagram

圖5 應(yīng)力云圖（DW+SL工況）Fig.5 Stress cloud chart (DW+SL work condition)

7 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元法對(duì)貯氣罐進(jìn)行抗震計(jì)算分析，并根據(jù)RCCM[1]規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力評(píng)定。結(jié)果表明：貯氣罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足抗震性能要求。

[1] RCCM-2005，壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].（RCCM-2005，Design and Construction Criteria for NI Mechanical Equipment of PWR NPP[S].）

[2] GB 50267—1997，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].（GB 50267—1997，Nuclear Power Plant Aseismic Design Criteria[S].）

[3] HAF 0215（1），核電廠的抗震設(shè)計(jì)與鑒定[S].（HAF 0215 (1)，Nuclear Power Plant Seismic Design and Authentication [S].）

[4] EN 1993-1-8， Eurocode 3，Design of steel structures，Part 1-8，Design of joints[S].

[5] 劉兵山，黃聰，等. Patran從入門(mén)到精通[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.（LIU Bing-shan，HUANG Cong，et al. Patran from Entry Level to Proficiency [M]. Beijing：China Water Power Press，2003.）

[6] 張永昌. MSC.Nastran有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.（ZHANG Yongchang. Theoretical Basis and Application for MSC Nastran Finite Element Analysis[M]. Beijing：Science Press，2004.）

Anti-seismic analysis for air storage tank used in the nuclear power plant

HUA Jun，REN Xin，F(xiàn)ENG Ping
(Wuxi Branch of No.703 Research Institute of CSIC，Wuxi of Jiangsu Prov. 214151，China)

This text calculates and analyses the structure of the air storage tank used for the SBO diesel generator set of Taishan nuclear power plant through finite element method， and simply introduces the mechanical modeling， loading condition and seismic response spectrum analyzing method for the structure， then get the natural frequency， vibration mode and response under seismic load of the structure through calculation. Evaluate the stress under the combined load such as gravity， internal stress， seism of the structure according to RCCM. The result shows that the structure intensity of the air storage tank meets the requirements of the specification. The calculating result gives the accordance for the seismic design of the air storage tank.

nuclear power plant；air storage tank；anti-seismic；spectrum analysis；stress evaluation

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2011)04-0366-06

TM623

A

1674-1617(2011)04-0366-06

2011-07-04

華 君（1978—），男，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)工程師，本科，從事核電廠用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組成套設(shè)計(jì)及研究工作。