CPR1000主控室大屏裝置結構抗震分析

北京廣利核系統工程有限公司　劉兆峰,姜智銳

CPR1000主控室大屏裝置結構抗震分析

北京廣利核系統工程有限公司劉兆峰,姜智銳

1　引言

核電廠主控室大屏顯示主要設備、主要工藝系統的基本運行狀態和參數,能較直觀的顯示整個核電廠的基本運行狀況,是主控室儀控設備的重要組成部分。紅沿河3、4號機組CPR1000對原大屏裝置并沒有提出抗震方面的要求，出于對地震情況下人身安全考慮，追加要求在SSE地震工況下的結構完整性要求。針對在役設備的驗證從時間上要求較緊迫。核電廠儀控設備抗震性能驗證方法有抗震試驗或抗震分析。抗震試驗的方法，要求搭建一個相同的系統進行抗震試驗，周期長、造價高?？拐鸱治龅姆椒?，能快速定位問題點，有效地縮短驗證周期，節省費用，并且方便后續工作的開展。綜合考慮，采用抗震分析的方法開展驗證工作。

本文針對大屏裝置結構件的有限元驗證進行研討，制定抗震性能驗證方案；通過對地震載荷進行預評估，為結構方案設計提出設計指標；通過模態分析評估設計方案的可行性；通過反應譜法對詳細設計進行抗震分析。

2　大屏裝置結構特點及驗證流程

2.1大屏裝置結構特點

POP大屏裝置整體結構形式如圖1所示，采用箱式設計，前后箱與底座剛性螺栓連接面錯落布置，可提供較強的扭矩作用，減小屏部分的變形。大屏裝置底座與地面采用螺栓方式連接，底座上安裝箱體，箱體上固定大屏。初步評估有一定的耗能能力和明確的傳力路徑。

圖1　大屏裝置結構簡圖

2.2驗證流程

根據需要確定如圖2所示的驗證流程，考慮先對框架結構進行評價，通過對載荷進行評估，設定框架評價剛度指標，判定框架結構是否滿足剛度需求，足夠的剛度是滿足抗震應力、變形、加速度能力的先決條件。如果不合格進行框架方案設計修改。判定剛度滿足要求后對結構進行詳細建模，采用反應譜分析的方法對結構進行應力判定。如果不合格進行詳細設計修改。如果都合格，流程結束。常用的抗震分析方法有等效靜力分析法、地震反應譜法和地震時程分析法。等效靜力分析法忽略了地震作用與結構動力特性相關及結構非剛性等關鍵特性；反應譜法引入了結構動力特性振型、頻率、阻尼，實用性較好，且有較高的計算精度；時程分析法以動載荷作為輸入，反應時程變化，通常作為反應譜法的補充，準確計算應力和變形與時間的關系。本流程采用地震反應譜法。

圖2　大屏裝置抗震性能驗證流程圖

3　載荷及剛度評估

3.1地震載荷評估

大屏安裝樓層地震反應譜如圖3所示。由圖可見水平方向最大響應加速度可達到45m/s2，垂直方向最大響應加速度為11m/s2。水平方向上的載荷遠大于垂直方向上的載荷,所以評估框架抗震性能過程中應優先考慮水平加速度的影響。針對地震水平載荷在6Hz至9Hz頻率區間位于高加速度響應平臺區，大屏箱體及底座頻率應該避開該頻率區間。綜合考慮，大屏箱體及底座整體的頻率應大于10Hz，提高結構的抗震能力以及保證大屏設備的較小加速度和變形。

圖3　地震反應譜

3.2框架剛度評估

振動模態是彈性結構固有的整體特性，通過模態分析可以搞清楚結構在某頻率范圍內的各階主要模態特征，可以預測結構在此頻段內自我激勵或外部激勵產生的實際振動響應。模態分析是研究振動特性的有效途徑。采用ANSYS軟件對框架結構建立梁單元簡易模型，對主框架結構進行預評估。頻率越大，剛度越大，即框架的抗變形能力越強。計算框架結構頻率見表1?？蚣芄逃蓄l率是12.6Hz，滿足結構預期剛度指標。

表1　框架模態分析結果

4　地震反應譜分析

4.1模型準備

采用ANSYS軟件，根據詳細結構進行有限元建模。其中底座的立柱和橫梁，以及大屏安裝箱體框架簡化為梁單元建模，底座的各種底板、側板或封板、箱體的蒙皮及大屏結構本身等采用板殼單元建模，大屏裝置的內部設備及各種門板或輔助設備采用質量單元簡化建模。簡化的質量模型采用剛性單元與其安裝部位連接，結構焊接或鉚接部分使用節點耦合的方法進行簡化。按上述方法建立有限元模型如圖4所示。

圖4　大屏裝置有限元模型

4.2應力分析結果

結構應力分析主要考慮主框架梁結構和連接螺栓的應力評定，對于表面蒙皮結構對整體結構的剛度影響不大，對蒙皮部分不做判定。計算自重與SSE地震載荷組合工況下梁結構和螺栓應力結果及依據RCC-M進行判定如表2、3所示。通過計算滿足結構抗震要求，能保證SSE地震情況下的結構完整性。

表2　梁結構應力結果

表3　螺栓結構應力結果

4.3加速度及變形分析結果

通過抗震分析，可以得到加速度的分布情況，計算SSE工況加速度分布如圖5所示。大屏的加速度由下向上逐步增大，最大的加速度位于屏幕的左上角和右上角，最大加速度為33m/s2。地震工況載荷通過底座結構及箱體結構會對大屏產生位移放大作用。由此大屏幕會帶來一定程度的變形量。大屏位移分布如圖6所示，在屏幕的左上角和右上角會形成最大位移，位移由下往上遞增，呈帶狀分布，主要為結構向前傾時變形所致，結構最大變形為2.7mm。同一水平位置上的位移量除頂部外表現為中部大于兩側，屏幕最大水平自變形約0.6mm。以上數據可以為大屏的相關鑒定試驗提供依據。

圖5　大屏加速度云圖(mm/s2)

圖6　大屏位移云圖(mm)

5　結論

通過有限元技術在紅沿河3、4號機組CPR1000主控室大屏裝置抗震性能驗證中的應用，通過地震譜分析在役的大屏裝置滿足SSE地震下結構完整性要求，不需要對結構進行變更；通過對地震載荷進行評估，設定剛度目標，再通過有限元的方法對主框架的剛度進行評估，能有效的縮短驗證周期，減小風險；通過抗震分析，掌握了大屏在地震工況下加速度、變形的分布規律，為大屏的鑒定試驗提供依據。

[1] 姜智銳, 田虎, 陳衛. 紅沿河核電站3/4號機組儀控系統安全級BUP盤臺抗震分析[J]. 自動化博覽, 2012 (10) : 24 - 26.

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[3] 張波, 盛和太. ANSYS有限元數值分析原理與工程應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005.

[4] 祝效華, 余志祥, 等. ANSYS高級工程有限元分析范例精選[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004.

Anti-seismic Analysis of Plant Overview Panel Pedestal in Master-control Room

自從福島核事故以后，對非安全級系統的抗震性能要求有所提高，對在役非安全級現有設備的驗證從時間上要求較緊迫。本文針對紅沿河3、4號機組CPR1000對主控室大屏結構及底座抗震要求提升，驗證是否滿足SSE地震工況下的結構完整性要求，為后續工作的開展提供依據。針對時間要求，采用有限元抗震分析的方法，提出了快速驗證流程，通過驗證結構能滿足抗震要求。通過分析掌握了大屏在地震工況下加速度、變形的分布規律，為大屏設備的鑒定提供數據依據。

大屏裝置；抗震分析；方案評估；反應譜分析

Since the Fukushima nuclear accident, the requirement for anti-seismic level of the non-security system has been improved. The verification of the existing equipment in service has also become more urgent. In this paper, we mainly focus on the improved anti-seismic requirement of the plant overview panel (POP) pedestal in master-control room in Hongyanhe No.3 and No.4 (CPR1000) and verify whether the POP pedestal meets the requirement of structural integrity in SSE seismic conditions. In this way, we can provide basis for the follow-up work. For the time requirement, we adopt the finite element based anti-seismic analysis, and propose a rapid verification flow to verify that the structures can meet the requirements of earthquake resistance. Based on the analysis, we obtain the distribution of acceleration and deformation of large screen under the earthquake, thus we can provide data basis for the identification of large screen equipment.

POP pedestal; Anti-seismic analysis; Scheme evaluation; Response spectrum analysis

劉兆峰（1980-），男，滿族，河北青縣人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電儀控系統機柜抗震分析工作。