穩壓器抗震分析簡化力學模型探究

陳 濤,張云波

（1.深圳中廣核工程設計有限公司，518124；2.環境保護部核與輻射安全中心,100082）

穩壓器抗震分析簡化力學模型探究

陳 濤1,張云波2

（1.深圳中廣核工程設計有限公司，518124；2.環境保護部核與輻射安全中心,100082）

本文研究核電站穩壓器抗震分析模型的建立方法。針對某堆型的穩壓器，分析內部冷卻劑的液面晃動效應及處理方法；對比分析節點個數、筒體壁厚、集中質量等因素對簡化模型固有頻率的影響，確定了穩壓器抗震分析模型的簡化原則。針對最終模型進行模態分析，并對計算結果進行評價。

核電站；穩壓器；抗震分析；RCC-M規范

0 引言

美國ASME規范和法國RCC-M規范對于核設備動力學分析均有相關要求，而模型簡化工作作為動力學分析的基礎，是保證分析結果科學合理的重要前提。目前，國內外研究人員的工作重點主要集中在反應堆堆本體的動力學分析上，而對于穩壓器的動力學分析則關注較少。本文主要研究穩壓器抗震分析模型的簡化方法，確立了模型簡化原則并對簡化結果進行評價。

1 穩壓器結構簡介

穩壓器是壓水堆核電站冷卻劑系統的主要設備之一，用于對一回路進行壓力控制和超壓保護，是一級核承壓設備。穩壓器為立式圓筒結構，上、下部為球缺形封頭。下部連接波動管管嘴、電加熱器、核取樣口和儀表管嘴；上部連接噴淋管嘴和噴頭、安全閥組、儀表管嘴、脈沖管嘴和人孔。下封頭安置在圓柱形裙座上。靠近上部設有水平支撐結構和閥支架。其結構見圖1。

2 抗震分析模型簡化

2.1 水的晃動效應

對于容器內水的晃動效應，通常的處理方法包括國內《石油化工鋼制設備抗震設計規范》GB50761等均參照GEORGE W.

HOUSNE的文章將水等效為圖2所示的相當系統，質量為M的水分成靜水和動水兩部分。靜水相對水箱靜止（脈動效應），

圖1 穩壓器結構示意圖Fig. 1 General structure of pressurizer

質量為M0高度為h0；動水在水箱內晃動（振蕩效用），質量為M1，質心高度為h1。將穩壓器等效為一個內半徑r=1.062m的圓柱形水箱，那么穩態運行工況下（60%充水）水面高度h=6.946m。可以得到：

圖2 穩壓器內部水晃動效應示意圖Fig. 2 Impact of water contained in the pressurizer

根據經驗，穩壓器在穩態運行工況下的固有頻率一般為10HZ左右，因此內部水的頻率比穩壓器的固有頻率低得多，不會與穩壓器發生耦合共振。簡化力學模型中可以忽略水的自由表面的晃動效應，即假定水相對于穩壓器靜止。

2.2 容器壁的簡化

穩壓器容器壁用一系列的梁單元模擬，包括封頭、筒體、裙座等主體材料和內部堆焊層。根據體積不變、中徑不變原則將上、下封頭等效成圓形截面梁單元；筒體外徑尺寸不變，厚度包含保溫層；裙座的外徑和壁厚不變。

分別取穩壓器各壁厚的名義值和最小值建立模型并進行模態分析。結果顯示，采用名義壁厚時，前幾階輸出頻率更接近穩壓器相應標高地震激勵的峰值頻率，因此取名義壁厚更保守。

2.3 水和保溫層的簡化

穩壓器內的水假定相對靜止附加在容器壁上。外部保溫層包括保溫材料及支架結構。采用3.2節的等效方法確定梁單元截面尺寸，水和保溫層通過修改相應位置梁單元的密度附加在筒壁截面上。穩態運行工況下只有穩壓器容積的60%充水，附加水質量時需計算出相應液面高度。

2.4 集中質量的簡化

各接管嘴、電加熱器、人孔、閥支架等簡化成集中質量單元，排放管和環管固定在閥支架上并與閥門接管連接，因此也應一并考慮。

電加熱元件質量沿長度方向按比例分布在三個不同的點上，即電加熱器與下封頭焊接處、上下支撐板位置。

分別將排放管、環管和安全閥置于閥門支架和閥門接管位置，對比分析結果顯示，置于閥門接管時結果更保守，但兩者差別很小。考慮穩壓器實際結構，將其置于閥門支架上。

采用圓環、圓柱的轉動慣量計算公式并結合移軸定理計算各集中質量點相對X、Y、Z軸的轉動慣量。對比計算考慮和未考慮轉動慣量的情形。結果顯示，兩者差別很小，可以忽略轉動慣量的影響。

2.5 建立簡化模型

采用3.4節的方法確定集中質量節點位置。修改梁單元其他部位節點個數，分別采用23段和53段梁對比計算。結果顯示，兩者輸出頻率和振型基本一致。因此，23段梁足以模擬穩壓器的力學性能。最終確立的主要節點位置見表1。

表1 穩壓器簡化模型節點位置Tab. 1 Node location of pressurizer simplified model

3 模型檢驗

3.1 材料屬性

采用穩壓器主體材料16MND5的材料屬性，其材料力學性能見表2。

表2 穩壓器主體材料屬性Tab. 2 Material properties of pressurizer

3.2 邊界條件

穩壓器通過裙座固定在反應堆廠房樓板上，裙座以一定的剛度（包括平動和轉動）與土建結構相連，計算穩壓器固有模態時考慮支撐裙座和反應堆廠房樓板剛度。

3.3 計算結果及評價

進行模態分析計算穩壓器固有振動特性，輸出穩壓器的固有頻率和振型。由于不同工況下穩壓器內部水體積不同，且溫度不同導致材料屬性不同，取正常運行和初始啟動兩種工況。模態分析結果見表3，穩態運行工況第1、2階振型見圖3。

經驗算法容器壁采用最小壁厚且未考慮環管、排放管和安全閥的質量，結果正常運行工況下固有頻率為9.8HZ，初始啟動工況下固有頻率為8.6HZ。參考其數值，認為本文計算結果在合理范圍內。

通過對比驗證可知，采用前述方法建立的穩壓器簡化力學模型合理可靠，可用于穩壓器的抗震分析。

表3 本文模型的模態分析結果Tab. 3 Results of modal analysis for pressurizer

4 展望

目前，穩壓器抗震分析僅限于線性分析。在SSE地震載荷激勵下，支承部件間會產生碰撞、脫離等相對運動。簡化模型中是否有必要考慮橫向支承的間隙、摩擦、阻尼等因素，未來可兼顧精確性和經濟性，開展穩壓器的非線性抗震分析研究，并與目前的線性分析結果進行對比。

[1] RCC-M Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands[S].Edition June 2000, 1st modification＋addendum 2002.

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code[M].American Society of Mechanical Engineers,2004.

[3] THE DYNAMIC BEHAVIOR OF WATER TANKS,VOL.53,NO.2, PP. 381-387,GEORGE W. HOUSNER[M],1963.02

[4] DYNAMIC PRESSURES ON ACCELERATED FLUID CONTAINERS, GEORGE W.HOUSNER[M],1957

張云波，工程師，2008年畢業于華北電力大學控制理論與控制工程專業，碩士，現從事核電廠安全評審工作

Finite Element Model for Pressurizer Seismic Analysis

Chen Tao1,Zhang Yunbo2
(1.China Nuclear Power Design Company,Ltd (Shenzhen),518124 2.Nuclear and radiation safety center,100082)

In this paper,finite element model of beam element for pressurizer seismic analysis was built. Impact of the relative movement of the water contained in the pressurizer was considered.Comparisons were made with different number of nodes,different thickness of PZR shell,and different value of concentrated masses.At last,modal analysis was carried out,natural frequencies and vibration shapes were got and the results were estimated.

Nuclear Power Station;Pressurizer;Seismic analysis;RCC-M Code

圖3 穩態運行工況第1、2階模態Fig. 3 First and second modal of pressurizer under nomal condition

陳濤（1981—），女，工程師。2006年畢業于大連理工大學機械工程學院（機械電子工程專業），獲碩士學位。現從事反應堆結構力學分析工作。