基于有限元法的核電站余熱導出泵泵體抗震分析

嚴建華，盛絳，滕國榮，朱連幫，歐鳴雄，2

（1.江蘇雙達泵閥集團有限公司，江蘇 靖江 214537；2.江蘇大學 農業工程技術研究院，江蘇 鎮江 212013）

0 引 言

目前，在能源需求增長和溫室效應的壓力下，核能作為一種經濟、高效和技術成熟的清潔能源技術，已成為各國重視的能源產業之一。根據國家《核電中長期發展規劃（2005-2020）》的要求，在2020 年之前，國內核電總裝機容量將達到7500 萬kW，在建容量達3000 萬kW，在經歷了較為漫長的低速發展期后，我國核電的產業迎來了發展的春天［1］。

余熱導出泵是百萬千瓦級壓水堆核電機組中重要的核安全二級泵，是壓水堆核電機組核島內余熱排出回路中的核心能動設備，作為同結構產品中技術難度最大、安全級別最高的核級泵產品之一，余熱導出泵機組屬于國家重大技術裝備產品［2］。余熱導出泵機組的抗震性能是衡量其運行可靠性的重要指標，本文以余熱導出泵的泵體抗震強度為研究目標，采用三維建模和有限元方法針對其在不同地震載荷工況下的應力情況進行詳細分析，對泵體部件的強度進行校核，為結構強度薄弱處的進一步優化提供參考。

1 泵體載荷和分析方法

1.1 余熱導出泵泵體載荷

根據余熱導出泵機組的設計規格書要求，作為機組主承壓件的泵體部件要承受的載荷包括自重、內壓、溫度、地震載荷和管口載荷，具體數值由機組的運行工況特性決定，其中泵體部件的設計壓力為4.8 MPa，設計溫度為180 ℃。

根據余熱導出泵的地震載荷響應譜曲線，地震載荷包括運行基準地震載荷（OBE）和安全停堆地震載荷（SSE），其具體數值如表1 所示。

1.2 抗震分析方法

通過針對余熱導出泵進行抗震分析，可以了解其在地震載荷工況下的結構變形及受力情況，確保該設備能夠完成其擔負的設計功能。目前，核電產品的抗震分析方法包括等效靜力法、響應譜法和動力分析法3 種，具體方法的選擇則考慮分析對象的特性和產品的設計要求。

本文研究的余熱導出泵機組的結構剛度非常大,固有頻率非常高，根據核電產品抗震分析指南的要求，該設備適用于采用等效靜力法進行分析［3］。

2 泵體部件建模

2.1 三維實體模型

表1 地震載荷表

余熱導出泵的泵體部件具有較為復雜的型面結構，作為機組的主承壓件，其殼體壁面設計較厚，本文采用三維造型軟件Pro/E 建立其復雜的三維實體模型。根據泵體的結構特征和去耦分析原則，建立的泵體三維實體模型如圖1 所示。

圖1 余熱導出泵泵體三維實體模型

2.2 有限元分析模型

良好的有限元分析模型是獲得準確分析結果的基礎，在三維實體建模的基礎上，本文采用ANSYS Workbench 軟件對泵體三維實體模型進行自適應網格劃分，通過測試分析進行網格質量考察，網格質量良好［4］。

根據該泵的安裝固定情況，在泵體有限元模型的支撐螺孔處施加固定約束。根據泵體材料確定有限元模型的材料特性參數：密度為7.8×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為1.93×1011Pa。

3 結果分析及評定

3.1 抗震分析結果

按照上述有限元模型及邊界條件，針對泵體的OBE和SSE 載荷工況進行了抗震力學分析，獲得泵體部件在相應載荷工況下的應力分布情況如圖2～圖5 所示。

3.2 泵體強度評定

圖2 泵體應力分布（OBE）

圖3 泵體應力剖面圖（OBE）

圖4 泵體應力分布（SSE）

圖5 泵體應力剖面圖（SSE）

以泵體的應力分布為基礎，根據相應的核電設備應力強度評定準則對其可靠性進行評定，泵體的抗震分析應力評定結果如表2 所示［5］。

4 結 論

根據上述不同載荷工況下的泵體應力評定結果可知，該泵體在OBE 和SSE 載荷工況下的應力值均較小，其最大應力主要分布在進口法蘭及內壁拐角處，還可進行一定的優化。現有的結構設計能夠滿足余熱導出泵機組抗震強度要求，該分析結果也驗證了該泵體結構設計的可靠性。

表2 泵體強度評定表 MPa

［1］ 歐陽予.國際核能應用及其前景展望與我國核電的發展［J］.華北電力大學學報，2007，34（5）:1-10.

［2］ 孫昌基，許連義.AP100 主要核島設備國產化［J］.發電設備,2007（4）：249-251.

［3］ 許文本，焦群英.機械振動與模態分析基礎［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［4］ 李至昭，姚大坤.300MW 核電站冷卻劑泵電動機轉子振動分析［J］.大電機技術，2001（3）：18-20.

［5］ 周文霞，張繼革.核電站主泵機組地震響應譜分析及應力評定［J］.原子能科學技術，2011，45（1）：54-59.