核電廠主控操作臺抗震鑒定分析

葛 磊， 趙 勇， 盧 星

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

主控操作臺在核電廠屬于1E級設備，即在地震過程中，至少需要保證其結構的完整性，要求其必須通過抗震鑒定[1]。主控操作臺的主控制臺部分已經采用抗震試驗的方式通過了抗震鑒定，但后續抗震要求發生了變化，需要重新進行抗震鑒定。抗震鑒定的方法主要包括試驗法、分析法，以及試驗與分析相結合的方法。考慮到主控操作臺整體尺寸大，無法采用抗震試驗的方法進行抗震鑒定，即無法采用在地震臺上試驗的方法進行，筆者考慮采用試驗與分析相結合的方法進行抗震鑒定[2]。首先，采用抗震分析的方法，采用ANSYS軟件建立有限元模型，并進行模態分析和靜力分析[2-3]，確定整個主控操作臺在地震條件下能夠保證其結構的完整性。其次，對已經通過原先抗震試驗要求的主控制臺進行瞬態地震響應分析，并將原先已進行抗震試驗的主控制臺不同位置的抗震試驗響應譜與地震響應分析的響應譜進行對比，得出抗震試驗響應譜能夠包絡地震響應分析響應譜，表明主控制臺在新的抗震要求下能夠通過抗震試驗。最后，綜合結果可以確定整個主控操作臺是否能通過抗震鑒定。

1 主控操作臺簡述

主控操作臺由主控制臺、輔助控制臺A、輔助控制臺B組成，整體結構為對稱結構。整個結構采用成型鋼板焊接或螺栓連接而成。主控操作臺的結構見圖1。

圖1 主控操作臺結構

主控操作臺材料為Q235B，連接件材料為35號鋼，材料的力學性能參數見表1。

表1 材料性能參數

2 抗震分析

采用ANSYS軟件進行抗震分析，首先建立主控操作臺有限元模型，其次進行模態分析，判斷其一階固有頻率是否大于33 Hz。若大于33 Hz，則采用靜力分析法進行應力分析；若小于33 Hz，則采用響應譜分析的方法進行應力分析[4-5]。最后，將應力分析結果與應力限值進行比較，確定結構的完整性。

2.1 有限元模型

主控操作臺為對稱結構，可采用對稱方式進行建模(見圖2)。其中，輔助控制臺A有367 584個單元和325 697個節點；主控制臺有95 254個單元和93 782個節點。

圖2 對稱有限元模型

2.2 載荷組合

主控制臺的安全等級為1E級，抗震等級為1級；輔助控制臺的安全等級為NS級，抗震等級為非抗震級。抗震分析時，主控操作臺所受載荷包括重力載荷和地震載荷。

根據抗震鑒定要求，需要計算異常工況和正常工況下主控操作臺的結構完整性，其載荷組合和使用限制見表2(其中，D為重力載荷，OBE為運行安全地震載荷，SSE為極限安全地震載荷，極限安全地震載荷為運行安全地震載荷的2倍)。

表2 載荷組合和使用限制

2.3 使用限制和應力強度限制

根據有關規定，對應工況下的應力分類和應力限值見表3和表4[6]。

表3 板殼型構件應力分類和應力限值

注：1)Pm為薄膜應力；2)Pb為彎曲應力；3)Kb為應力限制系數，取1.33；4)Sm為許用應力強度，取Sm=min(Su/4, 2Sy/3 )。

表4 線型支撐件應力分類和應力限值

注：1)Fa為無彎矩情況下允許的軸向壓(拉)應力；2)Fb為無軸向力情況下允許的彎曲應力。

2.4 計算結果評定

2.4.1 主控制臺模態分析結果對比

首先進行主控制臺的模態分析，通過有限元計算得出其一階和二階固有頻率分別為36.9 Hz和39.43 Hz(主控制臺振型見圖3和圖4)。原先在抗震試驗時得到主控制臺的一階和二階固有頻率分別為35.86 Hz和39.5 Hz。由此可見：主控制臺的模型可靠合理，可以采用相同方法建立主控操作臺的有限元模型。

圖3 主控制臺一階振型

圖4 主控制臺二階振型

2.4.2 主控操作臺模態分析

對模型進行模態分析，約束為模型底部的L形鋼的底部，得到其一階固有頻率為42.2 Hz，對應的振型見圖5。

圖5 主控操作臺一階振型

2.4.3 應力分析結果與應力評定

根據模態分析結果可知，主控操作臺的一階固有頻率大于33 Hz。因此，可采用靜力分析的方法進行應力分析，其中地震載荷選取為要求響應譜中最大加速度的1.5倍。SSE在X方向、Y方向和Z方向的加速度分別為18 m/s2、16 m/s2和25 m/s2。對結構進行應力評定，得到的結果見表5和表6。

表5 殼型構件的最大應力

表6 型支撐件的最大應力

由表5和表6可得：計算出的部件的應力小于要求的應力限值，主控操作臺能夠在地震試驗條件下保證其結構的完整性。

3 瞬態地震響應分析

主控操作臺的主控制臺在原先的抗震試驗要求下單獨進行了抗震試驗，并且通過了抗震鑒定。現抗震要求發生了變化，在新的抗震要求下，采用ANSYS軟件對主控制臺單獨進行瞬態地震響應分析，并將計算得到的時程結果與原先實際試驗得到的結果進行對比，可以為主控操作臺通過抗震鑒定進一步提供依據。

單獨取出圖2中的主控制臺模型，對其進行瞬態地震響應分析，得出新的抗震要求下主控制臺上不同點的時程計算結果，并通過時程得出響應譜。對比了多個點的響應譜結果，其中圖2的1號、2號點的響應譜對比見圖6～圖8(g為重力加速度)。

圖6 1號、2號點X方向響應譜對比

圖7 1號、2號點Y方向響應譜對比

圖8 1號、2號點Z方向響應譜對比

由圖6～圖8可知：通過抗震試驗的主控制臺的1號、2號點所對應的響應譜能夠包絡瞬態地震響應分析得到的響應譜，同時其他點所對應的響應譜也能夠包絡瞬態地震響應分析得到的響應譜，即整個結構響應變小，應力也相對變小。由此可推斷，主控制臺在新的抗震要求下能夠通過抗震試驗。

結合主控操作臺的抗震分析的結果和主控制臺的瞬態地震響應分析的結果，可以綜合推斷，主控操作臺能夠通過抗震鑒定。

4 結語

通過對主控操作臺進行抗震分析和對主控制臺進行瞬態地震響應分析，得到以下結論：

(1) 主控操作臺的一階固有頻率為42.2 Hz，大于33 Hz，可以采用靜力分析法進行應力分析。

(2) 在異常工況和事故工況條件下，主控操作臺各個部件的應力均在應力限值內，主控操作臺在地震試驗條件下能夠保證其結構的完整性。

(3) 已通過抗震試驗的主控制臺不同點的響應譜能夠包絡瞬態地震響應分析得到的響應譜，主控制臺及主控操作臺在新的抗震試驗條件下能夠通過抗震鑒定。