核電廠公共區域冷卻器結構抗震能力分析

遲 鵬（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

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核電廠公共區域冷卻器結構抗震能力分析

遲 鵬
（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

摘 要：本文針對核電廠公共區域的室內冷卻器機組進行結構抗震分析，采用ANSYS軟件的有限元分析方法，按照現行建筑抗震標準描述的地震情況，分別分析水平方向地震2.0g和2.7g的工況以及冷卻器機組在設計載荷下的抗震情況。

關鍵詞：核電廠；冷卻器；有限元分析；抗震

考慮到核電廠可能因地震而發生類似日本福島的事故，本文以水平方向地震2.0g和2.7g工況為例，對核電廠公共區域的室內冷卻器機組通過有限元分析計算，提高設備抗震性能，更好地滿足核電項目的需要。

1 有限元分析模型

筆者采用有限元分析軟件ANSYS建立機組模型、劃分網格、定義邊界條件、求解并進行后處理，主要用到的單元類型有BEAM188、SHELL181、MASS21、CONTA175。框架結構中的角鋼和槽鋼采用BEAM188單元進行建模，面板、檢修門、框架底座中的接水盤和底板采用SHELL181進行建模，采用質量單元MASS21建立表冷器和風機模型，并通過多點接觸模擬表冷器與滑道、風機與框架之間的連接。在表冷器進出水集管管嘴位置分別建立兩個MASS21質量單元并與表冷器單元進行耦合，以模擬管嘴載荷對機組的影響。冷卻機組的有限元模型如圖1所示。

在有限元模型中，筆者通過在兩端框架的結合位置建立耦合單元對模擬表冷段框架與風機段框架的螺栓連接。在表冷段底座、風機段底座與基礎錨接固定處，分別施加UX、UY、UZ方向約束。

2 載荷定義

筆者根據公共區域室內冷卻器的特點，采用等級A合成載荷工況，其主要載荷為：正常載荷N+熱載荷T+動載L+部件載荷CL+地震載荷SL。

圖1 冷卻機組有限元模型

2.1 正常載荷N

正常載荷包括正常運行壓力超差、系統運行壓力瞬變、凈重、外部載荷和固定載荷。

2.2 熱載荷T

熱載荷應包括由溫度引起的力和位移受約束所產生的負荷。機組的設計溫度為65.6℃，在有限元分析中設定最高溫度為65.6℃，參考溫度20℃。

2.3 動載（L）

殼體頂蓋可以承受250磅（113kg）的重量。在沒有其他底板形式要求時，殼體底板的設計應考慮至少為50磅/平方英尺（244.1kg/m2）。

2.4 部件載荷（CL）

內部固定的部件對殼體施加的力在本項目計算中指的是冷卻盤管和風機及電機的重量，其中盤管按注滿水后的重量255kg考慮，風機及電機重量按100kg考慮。

2.5 地震載荷（SL）

由安全停堆地震引起的載荷。不同于ASME AG-1中載荷標準的規定，AP1000電廠對于運行基準地震不予評估。包括地震作用的水平部件和垂直部件這些正交分量都應同時合成計算，來得到最惡劣的應力和撓度，這些元件可以采用平方和開方法合成計算。根據文件“APP-G1-S1-001.pdf”，按照現行建筑抗震標準描述的地震和日本福島發生的特大地震的情況，筆者分別分析水平方向地震2.0g和2.7g兩個工況以及冷卻器機組在該地震荷載下的抗震情況。

3 分析結果

3.1 機組應力分析

水平方向地震為2.0g。筆者采用等級A載荷合成工況對冷卻器機組公共區域室內冷卻器進行有限元分析，得到的機組的最大薄膜應力為30.5MPa，最大薄膜加彎曲應力為142MPa。

水平方向地震為2.7g。筆者采用同等工況進行有限元分析，得到機組的最大薄膜應力為39.7MPa，最大薄膜加彎曲應力為168MPa。

框架和殼體的許用應力應符合ASMEAG-1中的應力標準，在使用等級A工況下的基本普通薄膜設計應力應不超過0.6Fy，薄膜和彎曲組合設計應力應不超過1.5×0.6Fy，其中，Fy為材料的最低屈服強度。冷卻器機組公共區域室內冷卻器的材料中，ASTM 304的最大屈服強度Fy為205MPa，ASTM A6和ASTM A36的最大屈服強度Fy為250MPa，ASTM A653的最大屈服強度Fy為275MPa，由于：

0.6×205MPa=123MPa

1.5×0.6×205MPa=184.5MPa

因此，冷卻器機組的薄膜應力、薄膜加彎曲應力滿足應力標準。

3.2 底座構架撓度分析

水平方向地震為2.0g。在等級A載荷合成工況下，分別觀察冷卻器機組公共區域室內冷卻器底座構架在UX、UY、UZ方向的形變，可以看出其沿UZ方向的撓變最大，因此，筆者選取UZ方向的撓變進行分析。得到UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道下支撐構架的右冷彎槽鋼，最大變形處相對于其兩端的撓變為0.842mm。

水平方向地震為2.7g。在同等工況下也得出UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道下支撐構架的右冷彎槽鋼，最大變形處相對于其兩端的撓變為0.975mm。

根據殼體底座構架的撓度標準，底座構架的最大允許撓度應取為其跨度的1/360與3.2mm的較小值。表冷器滑道下支撐構架右冷彎槽鋼的長度為1.549m，由于：

因此，冷卻器機組公共區域室內冷卻器的底座構架滿足撓度標準。

3.3 殼體框架撓度分析

水平方向地震為2.0g。在等級A載荷合成工況下，筆者分別觀察冷卻器機組公共區域室內冷卻器殼體框架在UX、UY、UZ方向的形變，可以看出其沿UZ方向的撓變最大，因此，筆者選取UZ方向的撓變進行分析。得出UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道的右冷彎槽鋼，最大變形處相對于其兩端的撓變為0.842mm。風機段框架頂部的中間支撐槽鋼最大變形處相對于其兩端的撓變為0.483mm。

水平方向地震為2.7g。筆者在同等工況下也得出UZ方向的撓變最大。撓變最大的梁為表冷器滑道的右冷彎槽鋼，最大變形處相對于其兩端的撓變為0.975mm。風機段框架頂部的中間支撐槽鋼最大變形處相對于其兩端的撓變為0.482mm。

根據殼體框架的撓度標準，框架的最大允許撓度應取為其跨度的1/360與19mm的較小值。表冷器滑道右冷彎槽鋼的長度為1.549m，風機段框架頂部的中間支撐槽鋼的長度為1.491m，由于：

因此，冷卻器機組公共區域室內冷卻器的框架滿足撓度標準。

3.4 面板撓度分析

水平方向地震為2.0g。在額定工作壓力下，筆者分別觀察冷卻器機組公共區域室內冷卻器殼體面板在UX、UY、UZ方向的形變，可以看出其沿UZ方向的撓變最大，因此，選取UZ方向的撓變進行分析。得出在額定工作壓力下，冷卻器殼體面板沿UZ方向的最大位移處位于風機段頂面板的中段，其最大變形處相對于兩端的撓變為2.5284m。

水平方向地震為2.7g。在同等工況下筆者也得出冷卻器殼體面板沿UZ方向的最大位移處位于風機段頂面板的中段，其最大變形處相對于兩端的撓變為2.5285mm。

根據面板的撓度標準，框架間跨度每0.3048m應不超過3.2mm，且在任何方向上不得超過19mm。風機段頂面板的框架間跨度為0.450m，由于：

因此，冷卻器機組公共區域室內冷卻器的面板滿足撓度標準。

3.5 錨定機構受力分析

冷卻器機組采用6組10.9級M16地腳螺栓、M16螺母與基礎錨定。10.9級M16高強度螺栓在工作溫度下的許用抗拉強度為500MPa，許用抗剪強度為310MPa，有效應力面積Ae為1.567cm2。根據螺栓緊固件的要求，同時承受剪力和軸桿方向拉力的螺栓，應符合下列公式的要求：

通過有限元計算可以得到機組公共區域室內冷卻器錨定機構所受到的拉力和剪力。根據各螺栓在三個方向上受到的作用力，可計算拉伸應力和剪切應力，并進行校核。

結論

根據以上的應力分析和撓度分析可以得出，化容系統上充泵房公共區域冷卻器能承受正常運行時的作用力，并分析水平方向地震2.0g和2.7g工況，底座構架、殼體框架和面板能夠滿足其撓度標準。

在未來的項目執行中，我們可以根據具體項目的結構特點、工況條件、地震烈度等實際情況進行針對性的計算，對于結構的薄弱部位進行改進，使結構的抗震性能夠達到要求，更好地滿足核電項目的需要。

參考文獻

［1］胡少卿，張永利.廣東臺山核電一期1，2號機組空氣冷卻器的抗震性能計算分析［J］.世界地震工程，2011，27（2）：148-153.

中圖分類號：TF758

文獻標識碼：A