某工程熱室窺視窗抗震計算分析

李陽，劉海鋒

（中國核電工程有限公司河北分公司，石家莊 050019）

0 引言

熱室是典型的箱室設備，外部設有屏蔽層，內部處理或貯存的物料具有強γ放射性活度或中子輻射[1]。窺視窗是箱室類設計過程中的重要設備，要求窺視系統能夠觀察到熱室內的整個工作區，且執行機構和機械手的所有操作工作均應可見。窺視窗主要用于操作人員觀察熱室內操作設備情況，并保證熱室的氣密性和輻射屏蔽要求，是核工程非標設備中不可缺少的重要設備之一[2]。窺視窗結構主要包括多層窗玻璃及玻璃框、窺視窗中框、窺視窗外框和連接件等，不同類型鉛玻璃（ZF6、ZF7、ZF501、K509和K709鉛玻璃等）組合在一起，完成窺視窗的屏蔽功能[3]。

窺視窗安裝在熱室或鉛室的墻上，主要用于工作人員觀察室內操作設備的情況。窺視窗由多層窗玻璃（鋼化玻璃與鉛玻璃）、窺視窗中框、外框、連接件等組成；其中各層窗玻璃組件依次裝在中框中，兩端各用端蓋或壓框固定，中框整體固定在防護層墻面上；外框與混凝土整體澆筑或與其他支撐件約束。整個窺視窗系統中，中框結構為主要受力部件，中框與防護層連接螺栓為主要受力螺栓。

為了保證窺視窗在地震狀態下的結構完整性，需要對窺視窗進行抗震計算。通過計算窺視窗在自重和SSE地震作用下中框和連接螺栓的受力情況，評定窺視窗的抗震性能[4]。

1 熱室窺視窗的組成

窺視窗結構主要包括多層窗玻璃及玻璃框、窺視窗中框、窺視窗外框、連接件和壓蓋等，結構示意圖如圖1所示。

圖1 熱室窺視窗結構示意圖

1.1 多層窗玻璃及玻璃框

窗玻璃由鉛玻璃（或鋼化玻璃）、玻璃框、壓板和密封橡膠墊組成。

國產耐輻射、防輻射玻璃型號分別為K509、K709和ZF6，其性能參數如表1所示。

表1 ZF6、ZF501和K509的性能參數[5]

玻璃框材料為碳鋼，主要是保護鉛玻璃（或鋼化玻璃），或者作為連接件固定在窺視窗中框上。鉛玻璃（或鋼化玻璃）通過壓板和密封橡膠墊安裝在玻璃框內。玻璃框和壓板均設置倒角，倒角與鉛玻璃倒角相吻合，防止碰傷玻璃。

窺視窗內側鉛玻璃由連接件固定安裝在窺視窗外框安裝在熱室（鉛室）內，當窺視窗鉛玻璃更換拆裝時，可起到鉛室密封作用。接著由內到外為帶有玻璃框的多塊鉛玻璃。為保護鉛玻璃不受損壞，在外部加一塊鋼化玻璃，由玻璃框固定安裝在窺視窗外框。窗玻璃的設計應可一組一組地裝入窺視窗中框。

1.2 窺視窗中框

窺視窗中框尺寸應根據窺視窗外框及窗玻璃尺寸進行設計，中框外側與外框內方孔的配合設計為階梯狀，防止射線直穿。中框內方孔的設計與鉛玻璃框配合，設計為階梯狀或其他形式。中框內方孔的階梯狀結構為外大內小結構，既便于窺視窗的整體拉出，也便于將鉛玻璃從中框內單塊拆出。

1.3 窺視窗外框

窺視窗外框與窺視窗中框的尺寸相配合，外框內側與中框外側的配合設計為階梯狀，防止射線直穿。

1.4 連接件

連接件一方面用于固定最內側鉛玻璃并起密封作用；另一方面，用于固定窺視窗外框，并與熱室殼體焊接。

1.5 壓蓋

壓蓋安裝在窺視窗最外側，起到固定鋼化玻璃、連接固定窺視窗中框、外框，提供窗蓋安裝接口的作用。

2 參數與工況

2.1 材料參數

熱室窺視窗主體材料選用Q235B，連接件及連接螺栓的材料選用06Cr19Ni10，根據《ASME第二卷D篇2015版》與《GB700碳素結構鋼》，各材料力學性能參數如表2所示。

表2 材料力學性能

2.2 工況

1）設計工況：設計工況下的熱室窺視窗的自重；

2）異常工況：異常工況下的熱室密封門自重和OBE；

3）事故工況：事故工況下的熱室密封門自重和SSE。

2.3 地震輸入載荷

地震輸入載荷如表3所示。

表3 地震輸入載荷

3 評定方法

窺視窗抗震分析，主要評價窺視窗中框、中框與防護屏墻體的連接螺栓。分析時考慮的計算載荷主要包括自重與地震載荷。不同工況組合如表4所示。

表4 準則和應力限值

窺視窗中框與連接螺栓主要根據《ASME第三卷第一冊NF分卷2015版》與《ASME 附錄F》的要求進行分析，其中窺視窗中框屬于三級板殼型支撐件，參考NF3260與NF3552的要求進行評定，螺栓參考NF3324進行評定。中框應力限值如表5所示。

表5 中框應力限值

螺栓單獨受的剪應力和拉應力限值如表6所示。

表6 連接螺栓應力限值

根據《ASME第3卷第1冊NF分卷2015版》中NF.3324.6的要求，螺栓組合應力限值評定公式為

其中：

式中：ft為計算的拉應力，MPa；fv為計算的剪應力，MPa；Ftb為在工作溫度下的許用拉應力，MPa；Fvb為在工作溫度下的許用剪應力，MPa；Su為工作溫度下材料的極限抗拉強度值，由文獻查得304材料抗拉強度為517 MPa。

4 有限元模型及計算方法

4.1 計算方法

采用有限元方法計算結構在各種載荷下的應力。地震作用的計算采用BLOCK LANCZOS法提取結構模態，用響應譜法計算結構地震響應，用SRSS法對各階模態組合，用SRSS法組合三向地震作用。

4.2 計算模型

熱室窺視窗模型主要采用實體單元solid186 和solid187建立。為計算方便，各部件之間螺栓連接面均設為綁定接觸。其中中框為主要受力結構，其與防護屏連接的螺栓為主要受力螺栓，采用梁單元建立螺栓結構與防護屏約束。各玻璃組件主要固定在中框內部，非受力結構，建立等效質點作用在端蓋與壓框上。為了安全起見，同樣把中框內各玻璃組件重力等效為壓力作用在中框的下底板上，外框外表面采用固定約束。網格劃分如圖2所示，其中節點數為509 291，元素數量為223 281，平均網格質量為0.82。

圖2 熱室窺視窗有限元模型

4.3 模態分析結果

對熱室窺視窗有限元模型作模態分析，模型計算了前12階頻率，計算結果如表7所示，前6階振型如圖3～圖8所示。設備的第一階固有頻率高于33 Hz，可以采用等效靜力法進行計算[6]。故采用等效靜力法進行計算，事故工況計算時，取1.5倍的反應譜峰值加速度。

圖3 窺視窗第1階振型

圖4 窺視窗第2階振型

圖5 窺視窗第3階振型

圖6 窺視窗第4階振型

圖7 窺視窗第5階振型

圖8 窺視窗第6階振型

表7 前6階模態計算結果

5 應力分析與評定

5.1 窺視窗中框計算與評定

對設計工況（正常工況）、異常工況和事故工況下進行窺視窗的計算，得到3種工況下窺視窗應力分布，如圖9～圖11所示。

圖9 正常工況下窺視窗應力云圖

圖10 異常工況下窺視窗應力云圖

圖11 事故工況下窺視窗應力云圖

根據計算結果得出，設計工況（正常工況）下最小主應力為-22.873 MPa，異常工況下最小主應力為-38.952 MPa，事故工況下最小主應力為-39.859 MPa。

對各級工況比較最大主應力或最小主應力，取絕對值最大位置處劃分路徑進行評定，得出該位置在各工況下的σm和σm（或σl）+σb應力值，如表8所示。

表8 中框計算結果評定

將設計工況（正常工況）、異常工況和事故工況下中框計算結果與應力限值分別對比，計算結果均小于應力限值，表明設計的窺視窗中框滿足抗震要求。

5.2 連接螺栓計算與評定

根據式（1）的要求，選取窺視窗中受力最大的螺栓分別在設計工況（正常工況）、異常工況和事故工況進行評價。最大受力螺栓為中框與防護屏的連接螺栓，選擇其中受力最大螺栓評定，有效直徑按11 mm計算，得出各工況下螺栓的各方向受力如表9所示。

表9 螺栓各方向受力N

分別計算螺栓在不同工況下的應力，并進行評定，如表10所示。

表10 螺栓應力與評定

通過計算螺栓在不同工況下的應力值及公式（1）值，

不同工況下公式（1）值均小于1，滿足螺栓組合應力限值評定要求。

6 結論

本文通過對窺視窗在設計工況（正常工況）、異常工況和事故工況下自重和地震載荷作用下的應力分析，并根據《ASME第3卷第1冊NF分卷2015版》與《ASME附錄F》對窺視窗中框和螺栓分別進行了應力評定，結果表明，窺視窗滿足規范中的應力評定限值。