核電廠電氣設備陶瓷部件受風生飛射物的沖擊破壞

呂杰 呂興兵 楊光 許劍 周秋萍

摘要：為研究沿海臺風中的風生飛射物對核電廠電氣設備的沖擊破壞，以核電廠戶外高壓電氣設備的陶瓷絕緣材料為研究對象，基于LS-DYNA和HyperMesh，分析陶瓷部件在小球和鋼管打擊下的破壞情況。結果表明：在受到鋼管垂直打擊時，陶瓷部件很容易發(fā)生破壞;在受到小球沖擊時，陶瓷部件局部表面發(fā)生破壞。進一步計算得到小球對陶瓷部件的臨界破壞沖擊速度，可為后續(xù)設計和研究提供參考。

關鍵詞：核電廠;陶瓷部件;風生飛射物;LS-DYNA;沖擊破壞;數值模擬

中圖分類號：TM216.1;TM623.8

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0052-04

0?引?言

核安全一直是各國家和人民關注的問題。在我國沿海地區(qū)，臺風登陸頻繁，伴隨臺風產生的飛射物對核電廠電氣設備的打擊嚴重影響設備的安全性和可用性。陶瓷支柱絕緣子在核電廠戶外高壓電氣設備中起電氣絕緣和機械支撐作用，運行中需要滿足電氣絕緣性能和機械性能兩方面的要求。

安全可靠的絕緣子對核電廠戶外電源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行至關重要。陶瓷絕緣部件是電氣設備的薄弱環(huán)節(jié)，臺風卷帶的飛射物可能會對陶瓷部件產生破壞性影響，從而造成電氣設備整體損壞甚至人身傷害事故，嚴重影響核電廠甚至電網的安全穩(wěn)定運行。

本文針對某核電廠的陶瓷絕緣支柱進行沖擊分析，在臺風卷帶的不同形狀和不同速度飛射物工況下，模擬陶瓷材料的破壞情況，并研究飛射物沖擊破壞的臨界速度，為加強戶外電氣設備中陶瓷部件的防護提供指導建議。

1?工程概況與模型建立

1.1?工程概況

由《核電廠安全重要土建結構龍卷風設計規(guī)定》（NB/T 20360—2015）第7節(jié)可知，典型風生飛射物包括鋼管、汽車和小球3種。根據核電廠管理規(guī)定，生產廠區(qū)內一般不允許運行維修人員的汽車進入，因此本文只考慮鋼管和小球2種典型風生飛射物對核電廠戶外電氣設備陶瓷部件的影響。根據《中廣核各廠址超強臺風資料收集及設計風速專題報告》評估某核電廠廠址氣象參數，根據《核電廠安全重要土建結構龍卷風設計規(guī)定》（NB/T 20360—2015）確定典型風生飛射物尺寸和打擊速度。飛射物參數見表1，電氣陶瓷絕緣件一般為帶有傘裙的圓柱狀結構。

1.2?模型建立

采用HyperMesh建模，并選擇LS-DYNA作為求解器。陶瓷絕緣子采用六面體網格劃分，并在分析的打擊點位置進行網格局部細分。分析分為2種工況：（1）小球打擊時，實心小球為剛體材料，直接劃分為四面網格;（2）鋼管打擊時，空心圓管采用SHELL單元劃分。

飛射物與陶瓷絕緣子的接觸方式采用Automatic_Surface_To_Surface。由于飛射物可能對實體陶瓷造成破壞并穿透，接觸打擊區(qū)域采用Segment方式設置。

飛射物打擊陶瓷的有限元模型見圖1。絕緣子固定端約束所有自由度，直接對飛射物施加初始速度。飛射物打擊方向與絕緣子接觸面垂直，鋼管軸向垂直打擊設為最危險工況。

2?陶瓷絕緣子數值模擬

2.1?材料本構模型

LS-DYNA含有300多種本構模型[1]，提供豐富的材料庫。本次陶瓷材料采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERMICS（JH-2）材料模型，其主要用于模擬陶瓷、玻璃或其他脆性材料，可考慮屈服后復雜的響應問題。該本構模型的等效應力[2-4]為

2.2?參數確定

JH-2材料模型參數通過MTS拉壓實驗、Hopkinson桿拉壓實驗、平板沖擊一維應變壓縮實驗，以及DOP實驗確定。JH-2模型通過材料強度、壓力和損傷的變化關系描述完整材料和破碎材料在載荷作用下的響應。[5]本次分析中的材料參數均來自于文獻[3]，見表2，其中：

ε0為準靜態(tài)閾應變率;EH為Hugoniot彈性極限;β為彈性能損失轉化為流體靜力能的比例;D1為塑性應變斷裂參數;D2為塑性應變斷裂指數。

3?仿真分析結果

3.1?工況1

陶瓷絕緣件受到實體小球打擊時，小球撞擊陶瓷的瞬時應力云圖見圖2。陶瓷受小球撞擊的瞬時最大等效應力為602.8 MPa，陶瓷表面發(fā)生破壞，小球打擊點附近部分陶瓷單元的應力變化曲線見圖3。小球打擊陶瓷后反向回彈，小球在z方向上的速度變化曲線見圖4。由此可以看出：小球打擊陶瓷后的回彈速度約為20 m/s，該速度還可能對附近設備造成破壞。在受小球打擊后，沖擊應力波迅速沿陶瓷絕緣件軸向傳播，陶瓷絕緣件不同區(qū)域的等效應力曲線見圖5。

元的等效應力曲線。因為應力波在固定端發(fā)生反射，所以固定端附近陶瓷部件的等效應力比較大。

當v=14 m/s和v=13 m/s時，打擊區(qū)域單元的等效應力曲線分別見圖6和7，可見當小球速度降到13 m/s時，陶瓷部件受到的沖擊應力大大降低。

為避免小球沖擊造成的破壞，必須對電氣設備的陶瓷部件進行防護，以降低小球的沖擊速度。

3.2?工況2

陶瓷絕緣子受鋼管打擊時，考慮最惡劣的打擊條件，即鋼管垂直打擊陶瓷部件時，其破壞情況見圖8。由于鋼管的質量更大且速度更快，因此對陶瓷破壞非常大，陶瓷部件分別在打擊點、中間部位以及固定端發(fā)生斷裂。在2.6 ms時，沖擊接觸區(qū)域產生裂紋;在2.8 ms時，裂紋擴散造成自由端斷裂;隨著應力波的軸向傳播，在陶瓷管柱中間和固定端也產生裂紋;在3.2 ms時，中間和固定端區(qū)域也發(fā)生斷裂。2.6、2.8、3.0和3.2 ms時陶瓷部件的破壞情況分別見圖9～12。

4?結?論

借助LS-DYNA對電氣設備中的陶瓷部件進行沖擊響應分析，模擬在臺風惡劣環(huán)境下，風生飛射物對陶瓷部件的破壞形態(tài)。分析結果表明：在風生飛射物的沖擊下，陶瓷設備發(fā)生一定的破壞，特別是在鋼管的打擊下，陶瓷設備發(fā)生斷裂，嚴重影響電氣設備的正常運行。

由小球打擊陶瓷部件分析結果可以看出，在受到小球打擊時，陶瓷部件表面發(fā)生破壞，小球以接近20 m/s的速度反彈。因此，在對陶瓷部件進行保護時必須考慮小球沖擊反彈造成的次生破壞。模擬分析同時得到小球打擊造成電氣陶瓷絕緣件的臨界破壞速度為13 m/s。

根據鋼管打擊陶瓷部件的分析結果可知：由于鋼管質量更大，當垂直打擊陶瓷部件時，會嚴重破壞陶瓷部件;在鋼管打擊條件下，陶瓷表面容易產生裂紋，裂紋將隨著應力波的傳播不斷擴展，并最終導致陶瓷管柱發(fā)生斷裂。

參考文獻：

[1]?馮曉偉， 李俊承， 常敬臻， 等. 氧化鋁陶瓷受沖擊壓縮破壞的細觀機理研究[J]. 兵工學報， 2017， 38（12）：2472-2479. DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.022.

[2]?任會蘭， 樹學鋒， 李平. 強沖擊載荷下氧化鋁陶瓷破壞特性的數值模擬及實驗研究[J]. 中國科學：G輯 物理學、力學、天文學， 2009， 39（9）：1221-1230. DOI：10.1007/S11433-009-0267-Y.

[3]?CRONIN D S， BUI K， KAUFMANN C， et al. Implementation and validation of Johnson-Holmquist ceramic material model in LS-DYNA[C]// Proceedings of 4th European LS-DYNA Users Conference. Ulm：DYNAmore Co.， 2003：47-60.

[4]?馮曉偉. 平板沖擊加載下陶瓷材料的破壞力學行為研究[D]. 重慶：重慶大學， 2012：6-7.

[5]?常敬臻， 劉占芳， 李英華， 等. 沖擊壓縮下A95陶瓷動態(tài)力學特性數值模擬[J]. 材料科學與工程學報， 2007， 25（4）：616-619. DOI：10.3969/j.issn.1673-2812.2007.04.031.

（編輯?武曉英）