某工程熱室密封門抗震計算分析

李 陽，張 弛

(中國核電工程有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050019)

0 引言

核設(shè)施中常常需要處理具有放射性或者沾染放射性物質(zhì)的材料或設(shè)備，這項工作必須在具有屏蔽和密封功能的箱室內(nèi)進(jìn)行操作。熱室是典型的箱室設(shè)備，外部設(shè)有屏蔽層，內(nèi)部處理或貯存的物料具有強(qiáng)γ放射性活度或中子輻射[1-3]。

熱室密封門作為進(jìn)出熱室的主要通道，是保證熱室密封性能的重要組成部分，其密封性能的好壞直接影響整個熱室的包容性。對于某些重要的熱室，要求其在地震工況下也能滿足密封性要求，所以需要熱室密封門在地震工況下保持完整性和功能性完好，因此需要對熱室密封門進(jìn)行抗震計算分析。

1 熱室密封門的組成

熱室密封門主要由門框、門板、鎖緊機(jī)構(gòu)和鉸鏈機(jī)構(gòu)等組成，熱室密封門的結(jié)構(gòu)見圖1。門框由厚鋼板拼焊而成，外側(cè)周圈與殼體焊接，內(nèi)側(cè)與門板上的密封條接觸形成密封面。鎖緊機(jī)構(gòu)由把手、扇形板、連接板、壓板和卡板組成，如圖2所示。卡板焊接在門框內(nèi)側(cè)，其余部件焊接于門板上，鎖緊機(jī)構(gòu)四周各對稱分布12個鎖緊壓板，旋轉(zhuǎn)把手帶動壓板轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)門的密封鎖緊。

圖1 熱室密封門結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 計算參數(shù)與工況

2.1 材料參數(shù)

熱室密封門主體材料選用06Cr19Ni10，鎖緊機(jī)構(gòu)壓板材料選用14Cr17Ni2，按照室溫20 ℃得到材料的主要力學(xué)性能參數(shù)，見表1[4]。表1中，許用應(yīng)力S=min{Su/4，2Sy/3}。

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù) MPa

2.2 載荷條件

進(jìn)行力學(xué)計算分析所考慮的載荷包括：

(1) 自重：計算設(shè)備自重為275 kg，重力加速度為9.81 m/s2。

(2) 壓力：計算采用的壓力為設(shè)計壓力-250 Pa。

(3) 地震載荷：地震載荷考慮地震水平-1地震(OBE:Operation-Based Earthquake)和地震水平-2地震(SSE:Safety Shutolown Earthquake)，結(jié)構(gòu)阻尼比取2%，設(shè)備的安裝高度為+1 m，所受地震載荷根據(jù)所處的安裝要求確定。

2.3 工況

(1) 設(shè)計工況：設(shè)計工況下的載荷為熱室密封門自重、壓力。

(2) 異常工況：異常工況下的載荷為熱室密封門自重、壓力和OBE。

(3) 事故工況：事故工況下的載荷為熱室密封門自重、壓力和SSE。

3 評定方法

3.1 承壓部件應(yīng)力評定

根據(jù)GB/T 16702規(guī)范的C3300對熱室密封門承壓部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行評定，表2列出了準(zhǔn)則和相應(yīng)的應(yīng)力限值。表2中，σm為總體薄膜應(yīng)力；σl為局部薄膜應(yīng)力；σb為一次彎曲應(yīng)力。

表2 承壓部件的應(yīng)力限值

3.2 板殼型支承件的應(yīng)力評定

熱室密封門壓板為密封門主要支撐承載體，板殼型支撐在設(shè)計和運(yùn)行載荷下評定限制取自GB/T 16702規(guī)范H3300 S2級板殼型支承件設(shè)計準(zhǔn)則，其應(yīng)力限制要求如表3所示。

表3 板殼型支承件的應(yīng)力限值

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(jié)構(gòu)在各種載荷下的應(yīng)力。地震作用的計算采用BLOCK LANCZOS法提取結(jié)構(gòu)模態(tài)，用響應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，用SRSS法對各階模態(tài)組合，用SRSS法組合三向地震作用。

4.2 計算模型

熱室密封門門框與熱室殼體和鋼筋焊接預(yù)埋于土建結(jié)構(gòu)中，成為殼體和土建結(jié)構(gòu)的一部分，本文不再對門框和通道鋼板的抗震進(jìn)行重復(fù)計算，僅對門板進(jìn)行抗震計算，計算后提取壓板處反力，并對壓板進(jìn)行校核。門板結(jié)構(gòu)模型用來計算結(jié)構(gòu)在地震、自重、負(fù)壓工況下的應(yīng)力。壓板處施加UZ=0的約束條件，門板鉸鏈座銷孔處施加UX=UY=UZ=0的約束條件(UZ為垂直于門方向位移約束，UX為門水平方向位移約束，UY為門豎直方向位移約束)。鎖緊機(jī)構(gòu)等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)實(shí)際位置和質(zhì)量采用Mass21單元模擬。壓板厚5 mm，采用板殼元(Shell181)對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在有限元模型中，熱室密封門門板豎向為坐標(biāo)Y向，門板法向為坐標(biāo)Z向。利用ANSYS軟件構(gòu)建的門板和鎖緊壓板有限元模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 熱室密封門門板有限元模型

圖4 鎖緊壓板有限元模型

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

對整體結(jié)構(gòu)的板殼元模型進(jìn)行模態(tài)分析，計算了30階頻率，前10階模態(tài)的頻率列于表4中，設(shè)備的第1階固有頻率高于33 Hz，可以采用等效靜力法進(jìn)行計算[5]。采用等效靜力法對事故工況進(jìn)行計算時，取1.5倍的反應(yīng)譜峰值加速度。

表4 熱室密封門門板的前10階固有頻率

4.4 應(yīng)力計算結(jié)果

4.4.1 門板計算結(jié)果

對設(shè)計工況(正常工況)、異常工況和事故工況下的門板進(jìn)行計算，得到的3種工況下門板的薄膜應(yīng)力分布如圖5～圖7所示，門板薄膜加彎曲應(yīng)力分布如圖8～圖10所示。

圖5 正常工況下門板薄膜應(yīng)力云圖 圖6 異常工況下門板薄膜應(yīng)力云圖 圖7 事故工況下門板薄膜應(yīng)力云圖

圖8 正常工況下門板 圖9 異常工況下門板 圖10 事故工況下門板薄膜加彎曲應(yīng)力云圖薄膜加彎曲應(yīng)力云圖薄膜加彎曲應(yīng)力云圖

3種工況下門板的應(yīng)力結(jié)果為：

(1) 設(shè)計工況(正常工況)下，門板的最大薄膜應(yīng)力：σm=3.74 MPa，門板的最大薄膜加彎曲應(yīng)力：σm(σl)+σb=4.88 MPa。

(2) 異常工況下，門板的最大薄膜應(yīng)力：σm=10.9 MPa，門板的最大薄膜加彎曲應(yīng)力：σm(σl)+σb=12.7 MPa。

(3) 事故工況下，門板的最大薄膜應(yīng)力：σm=19.1 MPa，門板的最大薄膜加彎曲應(yīng)力：σm(σl)+σb=20.6 MPa。

4.4.2 鎖緊壓板計算結(jié)果

對設(shè)計工況(正常工況)、異常工況和事故工況下的鎖緊壓板進(jìn)行計算，得到的3種工況下的鎖緊壓板薄膜應(yīng)力分布如圖11～圖13所示，鎖緊壓板薄膜加彎曲應(yīng)力分布如圖14～圖16所示。

圖11 正常工況下鎖緊壓板 圖12 異常工況下鎖緊壓板 圖13 事故工況下鎖緊壓板薄膜應(yīng)力云圖薄膜應(yīng)力云圖薄膜應(yīng)力云圖

圖14 正常工況下鎖緊壓板 圖15 異常工況下鎖緊壓板 圖16 事故工況下鎖緊壓板薄膜加彎曲應(yīng)力云圖薄膜加彎曲應(yīng)力云圖薄膜加彎曲應(yīng)力云圖

3種工況下鎖緊壓板的應(yīng)力結(jié)果為：

(1) 設(shè)計工況(正常工況)下，鎖緊壓板的最大薄膜應(yīng)力：σm=2.69 MPa，鎖緊壓板的最大薄膜加彎曲應(yīng)力：σm+σb=9.41 MPa。

(2) 異常工況下，鎖緊壓板的最大薄膜應(yīng)力：σm=12.3 MPa，鎖緊壓板的的最大薄膜加彎曲應(yīng)力：σm+σb=43.2 MPa。

(3) 事故工況下，鎖緊壓板的最大薄膜應(yīng)力：σm=22.4 MPa，鎖緊壓板的最大薄膜加彎曲應(yīng)力：σm+σb=78.4 MPa。

5 應(yīng)力評定

根據(jù)上文計算結(jié)果，進(jìn)行應(yīng)力評定，結(jié)果見表5。

表5 熱室密封門應(yīng)力評定

表5中壓力評定結(jié)果表明，最大應(yīng)力比為0.16，各組件應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

本文對熱室密封門進(jìn)行了抗震計算和分析，通過計算門板和鎖緊壓板在設(shè)計工況(正常工況)、異常工況和事故工況下的最大薄膜應(yīng)力和最大薄膜加彎曲應(yīng)力，結(jié)果表明，熱室密封門及壓板在自重、壓力、地震載荷作用下的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。