核電站20t 起重機抗震分析

劉 威

徐州維爾力德重工科技有限公司 江蘇徐州 221000

20t 核電起重機用于在反應堆停堆換料或大修期間起吊上部設備閘門蓋，使得設備能夠運入（或運出）安全殼。根據《設備規范書》的要求，在極限安全地震震動（SL- 2，相當于SSE 表示的地震水平）的載荷下，不應導致設備和載重的破壞，以確保設備和載重不會跌落。為滿足供需雙方對核電起重機的需求，保證各項性能安全可靠，采用反應譜法對20t 核電起重機進行多種工況的靜動力分析研究。

1 數學模型建立

1.1 有限元模型

閘門吊車平臺等為箱型結構，通過shell 單元模擬，軸等零件用beam 單元進行模擬。減速器、電動機等不參與計算的部件，因沒有進行建模而造成的質量損失，通過修改調整單元密度的方式使模型質量和原車質量一致。起升卷筒和軸承座均以shell 單元模擬。

鋼絲繩用Link180 受拉桿單元模擬，通過8 根桿單元來模擬實際起升機構的鋼絲繩纏繞方式，能夠很好地模擬機構在地震作用下的響應。鋼絲繩與起升卷筒通過node 點連接，在地震工況下會造成應力和位移偏大。

1.2 施加邊界條件

閘門起吊裝置附屬結構的質量以均布載荷或集中質量載荷的形式施加在起重機的相應位置，均布載荷以調整模型密度的形式施加。

閘門吊車的上平臺結構與連接支座通過螺栓連接點位置進行全位移耦合約束限制自由度；連接支座的焊接位置通過全位移約束限制自由度。這種關聯方式比較保守，會造成集中載荷，同時在地震工況下應力和位移會偏大。

上平臺結構與連接支座的耦合約束點施加約束如表1 所示，約束點位置參見圖1。

表1 上平臺結構與連接支座耦合約束用表

2 載荷工況的選取

2.1 阻尼系數的選取

閘門吊車裝置支撐平臺標高為+27.21m，根據《設備規范書》中提供數據選取+27.21m 的樓面反應譜。根據NB/ T202304- 2013 核電廠起重機設計準則，進行極限安全地震（SL- 2）工況抗震計算時，阻尼比不應大于7%；運行安全地震（SL- 1）工況抗震計算時，阻尼比不應大于4%。綜合選取地震阻尼比為4%。

2.2 振型組合

地震情況下，閘門起吊裝置的X、Y、Z 三個方向均會受到地震影響，故模型應分別計算這三個方向的受力狀況，再對各方向的結果進行疊加。即采用CQC 法，X、Y、Z三個方向譜響應的完全疊加。靜載和地震載荷計算結果按照最不利方式進行組合。根據建模情況，Z 方向受縱波影響，X、Y 方向受橫波影響。

2.3 工況選取

工況選取考慮的載荷組合見式（1）。閘門吊車工況說明見表2。

表2 閘門吊車工況說明

式中：φ1——起升沖擊系數；

φ2——起升動載系數；

檢測血清中總膽固醇(CHO)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)、空腹血糖(FBG)、血紅蛋白(Hb)。CHO、TG、HDL-C、LDL-C、FBG采用氧化酶法,儀器為日本奧林巴斯AU400,試劑為奧林巴斯配套試劑;Hb采用氰化物法,儀器為日本希斯美康KX-21N,試劑為希斯美康配套試劑。

PG1——吊車上平臺的重力；

PG2——吊鉤組的重力；

Pq——起升重物的重力。

3 有限元分析結果

靜力分析、SL- 2 分析和相應分析結果的提取分別見圖2、圖3 和表3—表5。

圖3 SL- 2 工況Von Mises 等效應力及位移矢量和云圖

表3 應力分析結果

表4 位移分析結果

4 SL- 2 工況起重機平臺固定螺栓受力計算

應力云圖及表5 螺栓支座反力顯示，點7916 處螺栓受力最大，因此提取該處的力驗算螺栓強度。根據GB/ T3811- 2008 中5.4.2.2.2.1，單個摩擦型高強度螺栓承載能力計算式見式（2）。

表5 螺栓連接支反力

式中：[Pt]——受拉連接中單個摩擦型高強度螺栓許用承載能力，71kN；

σs1——高強螺栓材料屈服點，640MPa；

A1——螺栓有效截面，353mm2；

n——安全系數，1.48；

式中：σf——螺栓所受拉伸應力值，96.36MPa；

N1——螺栓所受軸向力，34015N。

螺栓抗剪強度校核見式（4）。

式中：τf——螺栓所受剪切應力值，83.87MPa；

根據第三強度理論，計算復合力（式5）。

式中：σp——螺栓應力值，193.4MPa；

表6 螺栓計算校核結果匯總

5 結論

通過以上分析結果可知，整機的最大變形發生在下部閘門吊車SL- 2 工況吊鉤處，數值為84mm。通過與支撐平臺和底架的變形數值對比發現，該處的變形主要由鋼絲繩穿線的方式、鋼絲繩受拉伸長，以及地震影響下重物的擺動造成。雖然對整機結果的安全性影響不大，但要考慮重物擺動時對廠房內其他物件的影響。

由分析云圖可知，閘門吊的最大應力出現在吊車與安裝平臺螺栓連接處，靜力工況計算最大應力為144MPa，小于233MPa；SL- 2 地震工況計算最大應力為185MP，小于許用應力345MPa；螺栓連接最大應力為193.4，小于234MPa。以上結果均滿足《GB/ T3811- 2008 起重機設計規范》及《NB/ T20234 核電廠專用起重機設計準則》中所提到的要求，所以起重機及其平臺的強度滿足抗震要求。