ACP1000核電站燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抗震性能分析

楊曉

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，石家莊050021）

0 引 言

核電動(dòng)機(jī)組中燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置承擔(dān)著傳輸核燃料組件的重要作用，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的關(guān)鍵組件是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)共兩套，分別布置于反應(yīng)堆廠房和燃料廠房，兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用接力驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。針對(duì)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的抗震要求，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在異常工況（OBE）、事故工況（SSE）下進(jìn)行強(qiáng)度分析[1]。

針對(duì)核電設(shè)備的抗震性能計(jì)算以基于響應(yīng)譜分析法的線性分析為主。針對(duì)3個(gè)維度的地震振動(dòng)分量，采用平方和開(kāi)平方根方法（SRSS）進(jìn)行組合，考慮靜載下的最不利工況[2]。在抗震分析中依據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，并考慮在裝置運(yùn)行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)接螺栓和地腳錨栓的強(qiáng)度要求[3]。

1 工程概況

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全等級(jí)為L(zhǎng)S，抗震等級(jí)為1I，質(zhì)保等級(jí)為QA2。該設(shè)備主要由支架、編碼器、減速伺服電動(dòng)機(jī)、輸出軸組件及重型錨栓等構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖

支座左側(cè)與連接板之間通過(guò)2個(gè)M16×25螺栓（編號(hào)L1、L2）聯(lián)接，支座右側(cè)與組件通過(guò)2個(gè)M16×50螺栓（編號(hào)L3、L4）聯(lián)接，整個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)4個(gè)M12×25（編號(hào)M1、M2、M3、M4）、2個(gè)M16×25（編號(hào)M5、M6）的重型錨栓安裝在混凝土基座上。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 有限元模型的建立

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型如圖2所示，表1列出了主要部件的材料特性。有限元模型尺寸采用實(shí)際尺寸，主體的支架、支座、連接板材料為022Cr19Ni10，采用殼單元建模，并采用4 節(jié)點(diǎn)殼單元S4R 劃分網(wǎng)格。軸套等部件材料為022Cr19Ni10，形狀比較規(guī)則，采用縮減積分單元C3D8R。部件間的聯(lián)接螺栓和地腳錨栓均采用2節(jié)點(diǎn)線性梁?jiǎn)卧狟31劃分網(wǎng)格。最終形成的網(wǎng)格數(shù)量為59 400，節(jié)點(diǎn)數(shù)為62 020。所劃分網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型

表1 材料特性表

圖3 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元模型

有限元模型中的X、Y、Z 方 向 分 別 對(duì) 應(yīng)于反應(yīng)譜中水平方向、豎直方向、反應(yīng)堆廠房指向燃料廠房方向。

2.2 載荷條件

燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在燃料廠房的標(biāo)高+20.000 m處，地震反應(yīng)譜選取燃料廠房標(biāo)高+20.000 m處樓層反應(yīng)譜。根據(jù)GB50267-97《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》3.3節(jié)，異常工況（OBE）時(shí)設(shè)備的阻尼比取2%，事故工況（SSE）時(shí)設(shè)備的阻尼比取4%。

2.3 燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

根據(jù)有限元模型及參數(shù)，約束6個(gè)地腳錨栓底面處的3個(gè)平動(dòng)自由度（即UX=UY=UZ=0），分析截至頻率33 Hz的結(jié)構(gòu)整體模態(tài)，得到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)各階的振型。共計(jì)算了450階，各方向參與質(zhì)量及質(zhì)量百分比如表2所示，各方向參與質(zhì)量均大于94%。

表2 各方向參與質(zhì)量及質(zhì)量百分比

通過(guò)分析，得出結(jié)構(gòu)主要振型為第1、2、3階，前3個(gè)振型累計(jì)參與質(zhì)量占總質(zhì)量的72%，表3列出了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的前3階周期和頻率，相關(guān)振型如圖4～圖6所示。

表3 轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性

圖4 第1階模態(tài)

圖5 第2階模態(tài)

圖6 第3階模態(tài)

3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的抗震評(píng)定

首先選擇應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)各載荷工況下的等效應(yīng)力進(jìn)行安全評(píng)定。根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50267-97）及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率分布，振型組合采用完全二次型組合（CQC），地震振動(dòng)3個(gè)分量引起的反應(yīng)值按平方和的平方根組合（SRSS）[4]。

3.1 強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則

依據(jù)《壓水堆核電廠乏燃料貯存設(shè)施設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（EJ/T883-2006），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體強(qiáng)度評(píng)定依照表4所示。

表4 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)載荷工況及應(yīng)力限值表

3.2 各工況下驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布

依據(jù)RCC-M中C3281節(jié)，在彈性分析中采用Tresca應(yīng)力準(zhǔn)則。圖7為正常運(yùn)行+OBE工況下支架的應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在支架前側(cè)左上橫梁的拐角處，計(jì)算最大應(yīng)力為94.73 MPa。圖8為正常運(yùn)行+SSE工況下支架的應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在支架前側(cè)左上橫梁的拐角處，計(jì)算最大應(yīng)力為109.44 MPa。

圖7 正常運(yùn)行+OBE工況下驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布

圖8 正常運(yùn)行+SSE工況下驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

經(jīng)分析可知，在地震載荷作用下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布滿足應(yīng)力限值的要求。

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)接螺栓和重型錨栓的抗震評(píng)定

4.1 螺栓的強(qiáng)度評(píng)定原則

對(duì)于螺栓，參照RCC-M 規(guī)范ZVI 2461進(jìn)行評(píng)定。

1）承受純拉伸的螺栓緊固件的平均拉伸應(yīng)力應(yīng)限制在Ftb以內(nèi)：ft＜Ftb。

2）承受純剪切的螺栓緊固件的平均剪切應(yīng)力應(yīng)限制在Fvb以內(nèi)：fv＜Fvb。

3）承受拉伸和剪切力的螺栓緊固件中，應(yīng)力應(yīng)滿足下列方程式：

式中：ft為計(jì)算拉伸應(yīng)力；fv為計(jì)算剪切應(yīng)力；Ftb為工作溫度下的許用拉伸應(yīng)力，F(xiàn)tb=0.3Su=210 MPa（A2-70），F(xiàn)tb=0.5Su=400 MPa（8.8級(jí)）；Fvb為工作溫度下的許用剪切應(yīng)力，F(xiàn)vb=Su/8=87.5 MPa（A2-70），F(xiàn)vb=5Su/24=166.7 MPa（8.8級(jí)）。

4.2 地震載荷下驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)防止傾覆的校核

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)6根地腳錨栓固定在基礎(chǔ)上，在地震載荷作用下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)存在地腳錨栓拔離而傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。選取最危險(xiǎn)的工況（靜力+SSE）進(jìn)行校核。在靜力和地震載荷作用下，錨栓受X方向的摩擦力FX、軸向力FY及Z方向的摩擦力FZ。各方向受力值如表5、表6所示。校核結(jié)果如表7所示，每個(gè)位置的地腳錨栓均滿足要求，不會(huì)因地震而引起驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傾覆。

表5 地震載荷SSE工況下M12×25地腳錨栓的支反力 N

表6 地震載荷SSE工況下M16×25地腳錨栓的支反力 N

表7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)防止傾覆的校核結(jié)果

4.3 聯(lián)結(jié)螺栓的強(qiáng)度評(píng)定

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件之間通過(guò)4個(gè)M16螺栓緊固聯(lián)接，校核最危險(xiǎn)工況（靜力+SSE）作用下螺栓的最大軸向力FY，部件間接觸面最大摩擦力FX、FZ。各方向受力值如表8、表9所示，校核結(jié)果如表10所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)接螺栓均滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)因地震而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的破壞。

表8 地震載荷SSE工況下M16×25螺栓的受力 N

表9 地震載荷SSE工況下M16×50螺栓的受力 N

表10 聯(lián)接螺栓的校核結(jié)果

5 結(jié) 論

采用有限元計(jì)算手段對(duì)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行抗震分析,在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地震載荷下的反應(yīng)譜分析。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足RCC-M的強(qiáng)度評(píng)定條件，能夠在地震期間及之后保證結(jié)構(gòu)的完整性并連續(xù)運(yùn)行。聯(lián)接螺栓以及地腳錨栓的應(yīng)力滿足RCC-M-附錄Z VI的要求，在地震期間不會(huì)發(fā)生斷裂、拔離等事故，保證設(shè)備運(yùn)行安全。