人員閘門輔助支撐設計研究

沈勇堅，沈　睿，劉建文，黃　然

人員閘門輔助支撐設計研究

沈勇堅，沈睿，劉建文，黃然

（上海核工程研究設計院股份有限公司，上海，200233）

為改善人員閘門安裝部位的受力狀態，提高人員閘門安裝結構的可靠性，本研究通過設計一種輔助支撐結構，對人員閘門懸臂端提供額外的支撐。輔助支撐設計中考慮了補償人員閘門安裝位置的相對位移，不會對人員閘門產生不必要的外力；并對是否增加輔助支撐人員閘門安裝部位的受力狀態進行建模分析比對。分析結果表明，在增加了輔助支撐后，可有效改善人員閘門安裝部位的受力狀態。因此，本文研究的人員閘門輔助支撐結構設計是有效可行的，并且在滿足操作性的同時還有效改善了人員閘門安裝部位的受力狀態。

人員閘門；輔助支撐；設備安裝

人員閘門是核電廠安全殼壓力邊界的組成部分，主要功能是供人員和小型設備在反應堆運行或熱停堆時通過[1]。在核電廠反應堆正常運行期間及基準事故工況期間，應能確保安全殼壓力邊界該部位的完整性和密封性；在嚴重事故工況時，應能確保安全殼壓力邊界該部位的密封性。

AP1000核電廠采用內層帶橢球形封頭的圓柱形鋼制安全殼，外層為鋼筋混凝土屏蔽構筑物[2]。設置兩個人員閘門，分為上部人員閘門和下部人員閘門。

人員閘門本體一端與預埋套筒焊接，預埋套筒通過補強插板與鋼制安全殼焊接固定；另一端布置在輔助廠房內，未與樓板接觸，如圖1所示。

圖1　人員閘門安裝圖

人員閘門采用類似懸臂梁的安裝形式經過分析是滿足設計需求的。

利用ANSYS有限元軟件[3]分別建立人員閘門、插板和部分安全殼作為分析對象。

根據安全殼人員閘門設計要求給出的各種工況下的載荷和載荷組合，對安全殼人員閘門進行應力分析計算[4]，并根據ASME B&PVC Ⅲ NE分卷[5]對應力計算結果評定，結果表明安全殼人員閘門能夠滿足ASME NE分卷中對各種設計工況使用限制下的要求。

但人員閘門設備整體重量約30 t；在自重工況下，人員閘門懸臂端的垂直位移為-4.2 mm，如圖2所示。

圖2　自重工況位移分析

人員閘門作為核二級設備，在一般情況下，不會進行人員閘門的更換，主要是對人員閘門進行日常的運行維護；雖然人員閘門類似懸臂梁的安裝形式滿足使用需求；但出于設計優化性能研究的目的，本文開展了設置輔助支撐的設計研究，將人員閘門安裝方式從懸臂梁形式調整為類似簡支梁形式，為人員閘門懸臂端提供額外的支撐，改善人員閘門及鋼安全殼連接處在各類工況下的受力狀況，使人員閘門的安裝和固定更為牢靠。

1　輔助支撐設計需求

1.1　相對位移要求

人員閘門一端與鋼安全殼固定，一端布置在輔助廠房，但未與輔助廠房固定，位置如圖3所示。

圖3　人員閘門安裝位置圖

由于輔助廠房與鋼安全殼之間是相對獨立的，因此在各類工況下存在相對位移。較大的相對位移出現在豎直方向上，位于人員閘門懸臂端的A點豎向最大位移為22 mm；位于正下方樓面上的B點的豎向最大位移7 mm。如圖4所示。

圖4　相對位移指示點

輔助支撐應考慮輔助廠房與鋼安全殼廠房之間的相對位移，在保持支撐的同時，能有效補償相對位移，不會產生不必要的外力，對鋼安全殼產生負面影響。

1.2　載荷需求

人員閘門懸臂端在地震工況下的反力約為2 ×105N：該反力作為輔助支撐的計算載荷。如圖5所示。

圖5　懸臂端反力分析

1.3　操作需求

人員閘門安裝位置空間有限，為了滿足輔助支撐后續的檢修維護需求；輔助支撐在結構上應滿足在一定空間內的操作要求，同時還需要在后續對易損部件進行維護或更換。

2　輔助支撐設計

2.1　結構設計

根據人員閘門設備重量，輔助支撐安裝空間、承受載荷等需求，采用碟形彈簧設計輔助支撐，利用碟形彈簧的變剛度特性和耗能能力[6]，希望在各工況下達到較好的支撐作用。

碟形彈簧的特點[7]：

（1）剛度大、緩沖吸振能力強，能以小變形承受大載荷，適合于軸向空間要求小的場合。

（2）可采用對合、疊合的組合方式，使彈簧特性在很大范圍內變化。

根據人員重量，安裝空間，地震反力，自重位移等，單片彈簧的變形量和載荷量不能滿足要求[8]。

采用對合組合設計：即由個相向同規格的一組碟簧組成。

z=z=z=

z、z、z——組合彈簧的載荷、變形量和自由高度。

主要結構設計如下：輔助支撐設置壓板組件、底部組件、碟形彈簧；壓板組件和底板組件之間夾有六組碟形彈簧，可通過6根螺栓預緊，如圖6所示。

根據研究分析，相同壓縮量下，使用GB/T 1972計算方法得到的彈簧載荷最大[9]。單片碟形彈簧的計算公式為：

所需碟簧數量為=29/4=7.25，碟簧數量最小為8片。

最終碟簧數量根據安裝空間尺寸進行確定，選擇每組彈簧數量10片，安裝完成后每片碟簧初始壓縮量0.5～1 mm。

圖6　輔助支撐三維圖

2.2　靜載分析

根據SOLIDWORKS靜力載荷分析，如圖7所示，人員閘門設備重量為30 t，一半載荷重量為15 t，考慮安全系數1.25倍，輔助支撐受力為20 t。在受力20噸的情況下，壓板組件變形量為0.017 25 mm。

圖7　輔助支撐靜載受力分析圖

2.3　操作性需求

該結構設計的輔助支撐，僅在人員閘門筒體下方對閘門本體進行支撐，不在其余方向對閘門本體進行約束，如圖8所示。地震工況時，在前后左右上五個方向上，不影響閘門本體的運動，也不會對鋼安全殼造成影響。

使用前，先通過6個螺母，壓縮碟形彈簧，將輔助支撐放置在預定位置，松開螺母，確保壓板與閘門筒體下部貼合。

通過底板組件的安裝螺栓，將輔助支撐固定。

圖8　輔助支撐與人員閘門的位置圖

Fig8 The location drawing of the auxiliary support and the personnel airlock

3　人員閘門安裝部位分析

增加輔助支撐后，人員閘門安裝方式從類懸臂梁形式調整為類簡支梁形式，如圖9所示。

圖9　增加輔助支撐后人員閘門安裝圖

對人員閘門懸臂端增加碟形彈簧結構的輔助支撐，彈簧采用COMBINE14單元建模[10]，支撐板與人員閘門筒體之間的非線性接觸采用link10（壓有效）模擬，如圖10所示。用ANSYS的拉桿單元Link10和彈簧單元Combine14串聯，并設置拉桿單元Link10壓有效拉無效來模擬輔助支撐處只有壓剛度有效的非線性問題，地震分析采用等效靜力法分析，考慮三個方向的平動加速度和2個方向的轉動加速度，分別對每個方向的加速度作用下人員閘門的應力響應進行計算，然后按照40%，40%和100%的組合方式進行SRSS組合疊加。

圖10　輔助支撐在人員閘門有限元模型圖

3.1　自重工況

加支撐前后自重工況插板處應力如表1和圖11所示。

表1　自重工況加支撐前后插板處應力

3.2　地震工況

人員閘門加支撐前后地震工況下插板處應力計算結果如表2和圖12所示。

表2　地震工況加支撐前后插板處應力

圖11　增加輔助支撐前插板應力分析圖

圖12　增加輔助支撐后插板應力分析圖

增加輔助支撐后，人員閘門安裝部位受力狀態在和方向上沒有改變，在方向（即垂直方向）上改善明顯，自重工況下，薄膜應力和彎曲應力減小了將近48%；地震工況下薄膜應力和彎曲應力減小了將近44%。

4　結論

通過分析，該設計的人員閘門輔助支撐，滿足了小空間的使用需求，同時具備檢修方便，安裝便捷的特點。在增加輔助支撐后，人員閘門安裝部位的在地震工況下應力改善明顯，有效的起到了改善人員閘門及鋼安全殼連接處在各類工況下的受力狀況的目的，達到了優化設計的目的。

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［2］ 鄭明光，杜圣華. 壓水堆核電站工程設計. ［M］. 上海：上海科學技術出版社，2013.

［3］ 施勣，徐小剛，楊林民. 雙層安全殼人員閘門力學分析［J］. 核動力工程，2015，36（5）：144-147.

［4］ 錢浩，賀寅彪，張明，等. 核電站安全殼人員閘門應力分析——結構改進及規律［J］. 力學季刊，2009，30（4）：638-644.

［5］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section III. Rules For Construction of Nuclear Facility Components［S］. New York，2001.

［6］ 張玉敏，蘇幼坡，梁軍等. 碟形彈簧豎向減震裝置的研究［J］. 哈爾濱工業大學學報，2005，37（12）：1678-1680.

［7］ 成大先主編. 機械設計手冊. 第3卷［M］. 5版. 北京：化學工業出版社，2008.

［8］ 沈張煜. 車床尾架中碟形彈簧的應用與分析［J］. 精密制造與自動化，2017，4：50-53.

［9］ 王朝暉，王曉麗. 碟形彈簧彈塑性有限元分析研究［J］. 設計·工藝，2017，4（2）：19-22.

［10］李軍芳. 基于FEM的高速精密壓力機動態特性分析［J］. 模具技術，2009，2：9-11.

The Design Study of the Auxiliary Support for the Personnel Airlock

SHEN Yongjian，SHEN Rui，LIU Jianwen，HUANG Ran

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.，LTD，Shanghai 200233，China）

In order to improve the stress state and the reliability of the personnel airlock installation part, an auxiliary support was designed to provide additional support under the cantilever end of personnel airlock. In the design of the auxiliary support, the relative displacement of the installation part of the personnel airlock, the auxiliary support didn’t impose additional force on the personnel airlock. The stress analysis for the installation of the personnel airlock was performed by modeling. The result of the analysis showed that the stress state of the installation part of the personnel airlock was effectively improved after the auxiliary support was added. Therefore, the design of the auxiliary support is feasible, it can effectively improve the stress state of the installation part of the personnel airlock when meeting the operational requirements.

Personnel airlock; Auxiliary support; Equipment installation

TL48

A

0258-0918（2023）03-0581-06

2022-06-18

沈勇堅（1980—），男，浙江東陽人，高級工程師，碩士研究生，現從事核電站非標設備設計方面研究