某核電工程冷凝水冷卻器抗震分析設(shè)計(jì)

李文默

摘 要：作為核安全設(shè)備，冷凝水冷卻器的抗震分析對(duì)于確保其在地震下能夠?qū)崿F(xiàn)必要的安全功能至關(guān)重要。本文以某核電項(xiàng)目為背景，通過有限元軟件ANSYS建立冷凝水冷卻器有限元模型，采用反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行抗震分析與評(píng)定。通過對(duì)設(shè)備的筒體、墊板、鞍座及接管的抗震分析評(píng)定，該設(shè)備的設(shè)計(jì)滿足了相關(guān)規(guī)范的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)其必要的安全功能，滿足實(shí)際工程的需要。

關(guān)鍵詞：冷凝水冷卻器;核安全設(shè)備;有限元;抗震分析

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）19-0155-02

0 引言

根據(jù)先進(jìn)核電壓水堆抗震設(shè)計(jì)要求以及《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，核島抗震設(shè)計(jì)中要求地面加速度為0.3g，相比二代壓水堆以及二代改進(jìn)型壓水堆核電站，大幅的提升了設(shè)備抗震性能，因此抗震分析設(shè)計(jì)是核電站設(shè)備設(shè)計(jì)分析中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。本文采用大型商用軟件ANSYS，針對(duì)某核電項(xiàng)目的冷凝水冷卻器建立了有限元模型，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，管側(cè)與殼側(cè)的壓力差以及水的附加質(zhì)量都考慮其中，對(duì)設(shè)備的筒體、墊板、鞍座及接管等進(jìn)行了抗震分析。計(jì)算結(jié)果顯示該設(shè)備的設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)范要求，能夠?qū)崿F(xiàn)其必要的安全功能。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

冷凝水冷卻器屬于核電廠TEU系統(tǒng)，安全級(jí)別—3級(jí)，規(guī)范級(jí)別—RCC-M3級(jí)，抗震1I類。設(shè)備外形如圖1所示。

2 載荷及評(píng)定規(guī)范

2.1 載荷

（1）重力DW。（2）內(nèi)壓：管側(cè)0.8MPa，殼側(cè)1.3MPa。（3）接管：考慮各個(gè)接管的接管載荷。（4）地震：OBE地震和SSE地震。其中OBE的地震譜選取2%阻尼比，SSE的地震譜選取3%的阻尼比。

2.2 評(píng)定規(guī)范

根據(jù)核級(jí)設(shè)備的規(guī)范等級(jí)和安全等級(jí)，本文研究對(duì)象的殼側(cè)部分應(yīng)按照規(guī)范RCC-M中D3300篇的限值進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。評(píng)定規(guī)范如表1所示。

支座根據(jù)規(guī)范RCC-M中H1310篇的要求進(jìn)行評(píng)定。本設(shè)備為S2級(jí)支承件，故應(yīng)根據(jù)H3300篇要求的準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。支承件為板殼結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)則許用限值見表2。

3 有限元模型及計(jì)算方法

3.1 有限元模型

有限元模型采用大型商用軟件ANSYS建立。主要份為兩部分：整體殼模型、局部實(shí)體模型。

整體殼模型是為了計(jì)算容器和支座在重力、壓力、接管載荷以及地震載荷下的設(shè)備應(yīng)力。選用殼單元（SHELL181），建立設(shè)備各個(gè)組成部件的有限元模型，接管選用Mass21的質(zhì)量單元進(jìn)行模擬并采用MPC進(jìn)行連接。外載荷則加到Mass21的質(zhì)量單元上、壓力施加在設(shè)備的受壓表面。

建立局部實(shí)體模型，對(duì)接管的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。選用Soilid45的實(shí)體單元建立局部接管模型，評(píng)估接管和壓力對(duì)局部區(qū)域的影響。

3.2 計(jì)算方法

本文采用工程中常用的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算[2-3]。在設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下，容器中充滿介質(zhì)。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，需考慮容器內(nèi)液體在地震作用下的影響，并且認(rèn)為在接管載荷和重力作用下，容器內(nèi)部液體的質(zhì)量均勻的分布在殼體上面。地震載荷下的模態(tài)分析方法選用的是BLOCK LANCZOS法，地震分析方法選用響應(yīng)譜法。另外，為保證計(jì)算的保守性，在計(jì)算結(jié)果中，保守的選用各項(xiàng)載荷的最大值進(jìn)行分析評(píng)定。

4 結(jié)果

4.1 殼體評(píng)定

根據(jù)第4節(jié)的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到殼體的薄膜和薄膜加彎曲應(yīng)力如表3所示。

綜上可以看出，殼體的應(yīng)力滿足規(guī)范RCC-M的要求。

4.2 墊板評(píng)定

表4示出了墊板的薄膜和膜加彎曲應(yīng)力結(jié)果。

以上結(jié)果表明各個(gè)工況下墊板的應(yīng)力均滿足RCC-M規(guī)范的相關(guān)要求。

4.3 支座評(píng)定

鞍座最不利工況下薄膜和膜加彎曲應(yīng)力結(jié)果分別如表5所示。

以上結(jié)果表明各個(gè)工況下鞍座應(yīng)力滿足RCC-M規(guī)范的相關(guān)要求。

4.4 接管應(yīng)力評(píng)定

根據(jù)冷凝水冷卻器接管尺寸形式相同的特點(diǎn)，選取承壓最大的接管進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。根據(jù)RCC-M規(guī)范D3300 （C3300中表3382）規(guī)定，接管與筒體連接區(qū)域應(yīng)按局部薄膜應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。同時(shí)為保守計(jì)算，假定接管載荷剪力同時(shí)加載于Y、Z方向，并考慮于Y、Z方向的矩產(chǎn)生最大疊加組合。具體施加方式為：施加負(fù)方向MZ，其他五個(gè)量均沿正方向施加。接管最不利工況下薄膜應(yīng)力結(jié)果分別如表6所示。圖2示出了D工況下接管連接區(qū)域應(yīng)力化曲線。

以上結(jié)果表明各個(gè)工況下接管應(yīng)力滿足RCC-M規(guī)范的相關(guān)要求。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某核電項(xiàng)目冷凝水冷卻器，建立有限元模型，按照設(shè)備抗震分析流程，對(duì)冷凝水冷卻器的筒體、墊板、鞍座及接管等進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算結(jié)果顯示冷凝水冷卻器的設(shè)計(jì)滿足RCC-M規(guī)范要求，可以在各個(gè)工況下完成其安全功能。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50267-97.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1998年2月1日.

[2] 李愛群，丁幼亮.工程結(jié)構(gòu)抗震分析[M].高等教育出版社，2010.

[3] R.克拉夫J.彭津.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)（第二版）[M].高等教育出版社，2006.