ACP1000核電站燃料轉運裝置驅動機構抗震性能分析

2020-08-01 09:16:26楊曉

機械工程師 2020年7期

楊曉

（中核第四研究設計工程有限公司，石家莊050021）

0 引言

核電動機組中燃料轉運裝置承擔著傳輸核燃料組件的重要作用，燃料轉運裝置的關鍵組件是驅動機構，該機構共兩套，分別布置于反應堆廠房和燃料廠房，兩套驅動機構采用接力驅動的方式驅動燃料轉運裝置。針對燃料轉運裝置的抗震要求，需要對驅動機構在異常工況（OBE）、事故工況（SSE）下進行強度分析[1]。

針對核電設備的抗震性能計算以基于響應譜分析法的線性分析為主。針對3個維度的地震振動分量，采用平方和開平方根方法（SRSS）進行組合，考慮靜載下的最不利工況[2]。在抗震分析中依據RCC-M標準對整體結構進行強度評定，并考慮在裝置運行過程中驅動機構的聯接螺栓和地腳錨栓的強度要求[3]。

1 工程概況

燃料轉運裝置驅動機構的安全等級為LS，抗震等級為1I，質保等級為QA2。該設備主要由支架、編碼器、減速伺服電動機、輸出軸組件及重型錨栓等構件組成，結構如圖1所示。

圖1 燃料轉運裝置驅動機構整體結構示意圖

支座左側與連接板之間通過2個M16×25螺栓（編號L1、L2）聯接，支座右側與組件通過2個M16×50螺栓（編號L3、L4）聯接，整個機構通過4個M12×25（編號M1、M2、M3、M4）、2個M16×25（編號M5、M6）的重型錨栓安裝在混凝土基座上。

2 計算模型及參數選取

2.1 有限元模型的建立

燃料轉運裝置驅動機構三維模型如圖2所示，表1列出了主要部件的材料特性。有限元模型尺寸采用實際尺寸，主體的支架、支座、連接板材料為022Cr19Ni10，采用殼單元建模，并采用4 節點殼單元S4R 劃分網格。軸套等部件材料為022Cr19Ni10，形狀比較規則，采用縮減積分單元C3D8R。部件間的聯接螺栓和地腳錨栓均采用2節點線性梁單元B31劃分網格。最終形成的網格數量為59 400，節點數為62 020。所劃分網格如圖3所示。

圖2 燃料轉運裝置驅動機構三維模型

表1 材料特性表

圖3 燃料轉運裝置驅動機構有限元模型

有限元模型中的X、Y、Z 方向分別對應于反應譜中水平方向、豎直方向、反應堆廠房指向燃料廠房方向。

2.2 載荷條件

燃料轉運裝置驅動機構安裝在燃料廠房的標高+20.000 m處，地震反應譜選取燃料廠房標高+20.000 m處樓層反應譜。根據GB50267-97《核電廠抗震設計規范》3.3節，異常工況（OBE）時設備的阻尼比取2%，事故工況（SSE）時設備的阻尼比取4%。

2.3 燃料轉運裝置驅動機構的模態分析

根據有限元模型及參數，約束6個地腳錨栓底面處的3個平動自由度（即UX=UY=UZ=0），分析截至頻率33 Hz的結構整體模態，得到驅動機構的固有頻率和相應各階的振型。共計算了450階，各方向參與質量及質量百分比如表2所示，各方向參與質量均大于94%。

表2 各方向參與質量及質量百分比

通過分析，得出結構主要振型為第1、2、3階，前3個振型累計參與質量占總質量的72%，表3列出了驅動機構的前3階周期和頻率，相關振型如圖4～圖6所示。

表3 轉運裝置驅動機構動力特性

圖4 第1階模態

圖5 第2階模態

圖6 第3階模態

3 驅動機構整體的抗震評定

首先選擇應力評定準則，對各載荷工況下的等效應力進行安全評定。根據《核電廠抗震設計規范》（GB50267-97）及驅動機構的固有頻率分布，振型組合采用完全二次型組合（CQC），地震振動3個分量引起的反應值按平方和的平方根組合（SRSS）[4]。

3.1 強度評定準則

依據《壓水堆核電廠乏燃料貯存設施設計準則》（EJ/T883-2006），驅動機構的整體強度評定依照表4所示。

表4 驅動結構載荷工況及應力限值表

3.2 各工況下驅動機構的應力分布

依據RCC-M中C3281節，在彈性分析中采用Tresca應力準則。圖7為正常運行+OBE工況下支架的應力云圖。最大應力出現在支架前側左上橫梁的拐角處，計算最大應力為94.73 MPa。圖8為正常運行+SSE工況下支架的應力云圖。最大應力出現在支架前側左上橫梁的拐角處，計算最大應力為109.44 MPa。

圖7 正常運行+OBE工況下驅動機構應力分布

圖8 正常運行+SSE工況下驅動機構應力云圖

經分析可知，在地震載荷作用下，驅動機構的應力分布滿足應力限值的要求。

4 驅動機構聯接螺栓和重型錨栓的抗震評定

4.1 螺栓的強度評定原則

對于螺栓，參照RCC-M 規范ZVI 2461進行評定。

1）承受純拉伸的螺栓緊固件的平均拉伸應力應限制在Ftb以內：ft＜Ftb。

2）承受純剪切的螺栓緊固件的平均剪切應力應限制在Fvb以內：fv＜Fvb。

3）承受拉伸和剪切力的螺栓緊固件中，應力應滿足下列方程式：

式中：ft為計算拉伸應力；fv為計算剪切應力；Ftb為工作溫度下的許用拉伸應力，Ftb=0.3Su=210 MPa（A2-70），Ftb=0.5Su=400 MPa（8.8級）；Fvb為工作溫度下的許用剪切應力，Fvb=Su/8=87.5 MPa（A2-70），Fvb=5Su/24=166.7 MPa（8.8級）。

4.2 地震載荷下驅動機構防止傾覆的校核

如圖1所示，驅動機構是通過6根地腳錨栓固定在基礎上，在地震載荷作用下，驅動機構存在地腳錨栓拔離而傾覆的風險。選取最危險的工況（靜力+SSE）進行校核。在靜力和地震載荷作用下，錨栓受X方向的摩擦力FX、軸向力FY及Z方向的摩擦力FZ。各方向受力值如表5、表6所示。校核結果如表7所示，每個位置的地腳錨栓均滿足要求，不會因地震而引起驅動機構的傾覆。