核電站某型式濾網單元的抗震分析

劉婭娟,王敬喜,潘 聰,池 豪,李佳琪

(上海發電設備成套設計研究院，上海 200240)

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核電站某型式濾網單元的抗震分析

劉婭娟,王敬喜,潘 聰,池 豪,李佳琪

(上海發電設備成套設計研究院，上海 200240)

應用有限元分析軟件ANSYS，建立了核電站某型式濾網單元的三維計算模型，對濾網單元結構進行了抗震分析計算。在濾網單元結構模態分析的基礎上，采用等效靜載的方法對濾網單元結構在自重、壓強和地震載荷下進行了抗震分析。并依據ASME規范卷III的要求，對濾網單元在D級使用限制條件下的應力進行組合和評估。結果表明該濾網單元的設計滿足ASME規范卷III的要求。

核電站； 濾網單元； 抗震分析； 應力評定

為了保證核電站的安全運行與正常停堆，根據相關安全法規的要求，核安全相關設備在各類載荷，特別是地震載荷作用下應保持結構完整性[1]。該新型濾網單元結構屬于抗震I類的核安全C級設備，要求在運行和極限安全地震載荷下均能夠保持結構完整性。AP1000核電廠的抗震分析中已取消運行基準地震(OBE)抗震分析，只用對安全停堆地震(SSE)引起的載荷進行分析。

目前，結構抗震計算的方法主要分為兩大類：靜力分析和動力分析。其中靜力分析方法包括準靜力法和等效靜力法，動力分析方法包括反應譜法和時間歷程方法。理論上講，時間歷程計算方法最為準確，但是計算中需要地震時間歷程載荷；而反應譜法計算原理簡單，理論成熟，又能在一定程度上反映結構的動態特性，因此得到廣泛應用[2]。一般來說，可以根據模態分析后的結果來確定抗震分析方法。當設備的固有頻率大于反應譜截止頻率時，認為設備是剛體，可以采用靜力分析法來進行抗震分析，并用零周期加速度(ZPA)作為假設加速度；如果設備的固有頻率小于反應譜截止頻率時，抗震分析則需要采用等效靜力法或者動力分析法。

驗證設備的結構完整性需要考慮其所承受的正常設計載荷，地震載荷以及設備外部連接所傳遞的載荷。筆者采用有限元模擬軟件ANSYS建立濾網單元的力學模型，對該結構進行了在自重、壓強和地震載荷下的抗震分析，并按ASME規范卷III[3]的要求，對結構在相應使用限制條件下的應力進行組合和評定，得出該濾網單元在反應譜峰值加速度下的靜態響應，為其抗震設計提供一定的參考價值，同時也為了驗證該單元在SSE下的結構完整性。

1 計算模型

1.1 有限元模型

該新型濾網單元主要由多孔板和支撐管組成，根據結構特點建立簡化的三維有限元模型。模型由4節點殼單元(SHELL181)組成，總共包括330 707個節點，345 066個單元。主要分析自重(鋼板自重+碎片重量)、水動力重量和安全停堆地震對濾芯單元的整體響應。

圖1 濾網單元的幾何模型

1.2 材料

濾網單元的材料為板殼類材料SA-240 TP 304，屬于18Cr-8Ni奧氏體鋼(G材料組系)，依據ASME規范第II卷[4]D篇給出的數據，并通過線性插值得到相應溫度下的材料性能參數和許用應力值。

模型中采用其在148.9 ℃下的性能參數：E=186 138 MPa，υ=0.3?？紤]濾網單元的多孔板區域，不利于建模和網格劃分，且所受載荷為均布載荷，依據ASME規范卷III 第1冊附錄對多孔板區域做相應簡化[3]。

簡化后的多孔板的等效彈性模量和泊松比的值為E*=61 426 MPa，υ*=0.343。模型中兩種材料參數見表1。

表1 濾網單元的材料模型

1.3 載荷

過濾器在進行抗震分析時，要考慮自重、水動力質量、接管載荷、地震載荷以及溫度和壓差的影響。接管和濾網框架間通過柔性墊圈連接，接管載荷可以忽略。由于濾網單元在結構設計上對溫度效應產生的熱膨脹進行了補償，不會產生顯著的熱應力，分析中不用考慮溫度的影響。壓差作為一個局部受力，濾網單元整體分析時，壓差會作為內部力抵消，不考慮壓差對單元整體結構的局部影響。此分析模型主要考慮自重、水動載荷以及地震載荷組合下產生的水平方向和豎直方向加速度的影響。

1.3.1 自重

主要考慮自身質量和碎片質量，其中濾芯的質量為mcd=69 kg，碎片質量為md=11.3 kg。

1.3.2 水動力質量

該濾網屬于水下工作部件，承受地震載荷時會在水下進行變速運動，導致周圍流體產生加速度，存在附加質量的作用。當不考慮流體的壓縮性及粘性時，可利用勢流理論來分析結構的附加質量，此時附加質量僅與結構的形狀以及流體密度有關[5]。求解得到三個方向的水動力質量為：

mhX=204.98 kg
mhY=102.49 kg
mhZ=102.49 kg

其中，X為流道方向，Y為流道垂直方向，Z為濾芯高度方向。

1.3.3 地震載荷

地震載荷一般是采用該設備所在樓層的樓層響應譜作為激勵輸入，對于濾網支撐結構，所有底部支撐件都安裝在同一樓層，設備所在樓層SSE樓層響應譜見圖2，其中Accel-X表示樓層響應譜X方向加速度，Accel-Y表示樓層響應譜Y方向加速度，Accel-Z表示樓層響應譜Z方向加速度。

圖2 地震載荷譜

由樣機整體的強度分析報告可知，整體設備的X、Y、Z三個方向的固有頻率分別為39.9 Hz、46.7 Hz、30.4 Hz，其中有兩個方向的固有頻率小于截止頻率。在對濾網單元進行分析時，取SSE加速度響應譜的最大加速度來進行計算。

依照設計規范書和ASME規范卷III[3]，該濾網在安全停堆地震下的阻尼百分比取4%。地震載荷一般要考慮地震激勵的三個方向，SSE加速度響應譜X、Y、Z三個方向的峰值加速度分別為3.95 g、1.95 g、2.0 g。

2 載荷組合與使用限制

2.1 載荷組合

根據設計規范書，該設備有三種載荷類型。該新型濾網單元的設計載荷組合見表2。載荷組合3的工況組合較載荷組合1和2更為苛刻，且應力限制系數也較為嚴格，對載荷組合3進行分析更為保守。本報告只進行第3種載荷組合下的濾網單元的抗震分析。

表2 設計載荷組合

2.2 使用限制

根據ASME鍋爐和壓力容器規范，卷III-1-NF[3]，該濾網單元可以當作板殼型支撐件，應用第三強度理論(Tresca理論)來進行評定。

結合濾網單元的設計載荷組合情況，表3給出D級使用限制下結構材料的應力限制。

表3 D級使用限制下的SA 240 TP 304的應力限制[3]

3 計算和結果分析

3.1 分析方法

本文主要針對載荷組合3(W+ΔP+SSE)，對濾網單元進行了模態分析，并在模態分析的基礎上用等效靜力法來分析結構在安全停堆地震(SSE)載荷下的響應。鑒于目前濾網整體結構的模態不確定，采用安全停堆地震(SSE)載荷的RRS中峰值加速度作為靜力分析時的等效加速度。計算濾網單元在載荷組合3下的應力，按照表3進行應力評定。

3.2 模態分析結果

模態分析是為了得到濾網單元的主要模態，邊界條件不用施加加速度載荷。系統質量為濾芯自重時，濾芯在三個方向的主振型的固有頻率為：

X方向：fX=227.32 Hz

Y方向：fY=31.177 Hz

Z方向：fZ=106.50 Hz

三個方向主振型的位移見圖3。

圖3 濾網單元的主振型位移分布

在濾網單元整體結構的抗震分析中需要濾芯內碎片以及水動力質量對固有頻率造成的影響?？紤]了碎片質量和水動力質量的總質量為mtotX=285.28 kg，mtotY=182.79 kg，mtotZ=182.79 kg，濾網單元在三個方向的主要模態頻率為：

3.3 等效靜力分析結果

3.3.1 整體結果

通過仿真計算，得出濾網單元在SSE地震載荷下的各個方向的位移圖和應力圖。濾芯單元的位移見圖4，最大位移為1.74 mm，發生在濾網單元中間靠近入流口的位置。

圖4 濾芯單元位移分布

濾網單元的應力分布見圖5、圖6。

圖5 濾芯的薄膜應力分布

圖6 濾芯的薄膜加彎曲應力分布

最大薄膜應力是111.26 MPa，最大薄膜加彎曲應力是179.45 MPa。由應力云圖可得：濾網單元的最大薄膜應力以及最大膜加彎應力都分布在濾網側面板右上角的彎折處。

按照D級使用限制148.9 ℃下的應力限制進行評價的結果見表4。

表4 濾網單元整體應力評價 MPa

3.3.2 多孔板

濾網單元板殼結構的多孔板部分在建模時根據ASME規范進行了簡化，其應力分布見圖7和圖8。按照ASME規范，卷III[3]，第一冊附錄A-8140，計算的多孔板應力要乘以系數P/h后再進行應力評價，其中P=2.5，h=0.9，P/h=2.8。從多孔板的應力云圖可以看出，多孔板側面彎折處產生了應力集中，進行應力評價時應取這一區域的整體薄膜/彎曲應力。

圖7 多孔板的薄膜應力分布

圖8 多孔板的薄膜加彎曲應力分布

按照D級使用限制148.9 ℃溫度下的應力限制對多孔板區域進行評價：

最大薄膜應力(整體)61.82×2.8=173.1 MPa ≤195.5 MPa；

最大薄膜加彎曲應力(整體)

82.43×2.8=230.80 MPa ≤293.2 MPa。

多孔板部分的應力值均小于D級使用限制下的應力限制，滿足ASME規范要求。

4 結語

本文通過建立濾網單元的有限元模型，應用ANSYS有限元軟件對模型進行了詳細計算，并根據ASME規范，對濾網單元在最苛刻載荷組合工況下的應力進行了分析和評定。結果表明，此濾網單元設計能滿足核電廠對設備結構方面的要求。

[1] 國家技術監督局,中華人民共和國建設部. GB 50267-1997 核電廠抗震設計規范[S]. 北京: 中國標準出版社,1997.

[2] 李增光,王炯,吳天行. 核電站環形吊車抗震計算分析[J]. 核動力工程,2008,29(1): 46-49.

[3] ASME鍋爐及壓力容器委員會核動力分委員會. ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范III: 核設施部件建造規則[S]. 上海: 上?？茖W技術文獻出版社,2004.

[4] ASME鍋爐及壓力容器委員會核動力分委員會. ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范II: 材料A篇: 鐵基材料[S]. 上海: 上?？茖W技術文獻出版社,2004.

[5] 王基盛,楊慶山. 流體環境中結構附加質量的計算[J]. 北方交通大學學報,2003,27(1): 40-43.

Seismic Analysis of a Cartridge for Nuclear Power Plants

Liu Yajuan,Wang Jingxi,Pan Cong,Chi Hao,Li Jiaqi

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

A three-dimensional calculation model was established for a cartridge of nuclear power plant by FEA software ANSYS,with which seismic analysis was conducted on the cartridge structure under the action of gravity,pressure and SSE loads using equivalent static loading method on the basis of model analysis. Meanwhile,stress combination and evaluation were carried out under D stress limits according to requirements of ASME section III. Results indicate that the design of related cartridge meets the requirements of ASME section III.

nuclear power plant; cartridge; seismic analysis; stress evaluation

2016-11-15;

2016-12-06

劉婭娟(1988—)，女，工程師，主要從事電站設備的結構、流場以及傳熱分析工作。

E-mail: liuyajuan89@163.com

TL362.1

A

1671-086X(2017)04-0259-04